Inertiavoima (myös inertiavoima ) on moniarvoinen käsite, jota käytetään mekaniikassa suhteessa kolmeen eri fyysiseen suureen . Yksi niistä - " d'Alembert -hitausvoima" - otetaan käyttöön inertiaviittauksissa, jotta saadaan muodollinen mahdollisuus kirjoittaa dynamiikan yhtälöt yksinkertaisempien staattisten yhtälöiden muodossa . Toista - " Euler -inertiavoimaa" - käytetään, kun tarkastellaan kappaleiden liikettä ei - inertiaalisissa viitekehyksessä [1] [2] . Lopuksi kolmas - " Newtonin hitausvoima" - on vastavoima, jota tarkastellaan Newtonin kolmannen lain yhteydessä [3] .
Kaikille kolmelle suurelle yhteistä on niiden vektoriluonne ja voiman ulottuvuus . Lisäksi kahta ensimmäistä suuretta yhdistää mahdollisuus käyttää niitä liikeyhtälöissä, jotka ovat muodoltaan yhteensopivia Newtonin toisen lain [1] [4] [5] yhtälön kanssa , sekä niiden suhteellisuus massaan ruumiista [6] [4] [5] .
Venäjänkielinen termi "hitausvoima" tulee ranskankielisestä lauseesta fr. voima d'inertie . Termiä käytetään kuvaamaan kolmea erilaista fyysistä vektorisuuretta, joilla on voiman mitta:
"Eulerilaisen", "dalamberilaisen" ja "newtonilaisen" määritelmät ehdotti akateemikko A. Yu. Ishlinsky [7] [8] . Niitä käytetään kirjallisuudessa, vaikka ne eivät ole vielä saaneet laajaa levitystä. Keitä me olemme tulevaisuudessa ? noudatamme tätä terminologiaa, koska sen avulla voimme tehdä esityksestä tiiviimmän ja selkeämmän.
Eulerin hitausvoima koostuu yleensä useista eri alkuperää olevista komponenteista, joille annetaan myös erityisnimet ("kannettava", "Coriolis" jne.). Tätä käsitellään tarkemmin alla olevassa asiaankuuluvassa osiossa.
Muissa kielissä hitausvoimille käytetyt nimet osoittavat selvemmin niiden erityisominaisuudet: saksaksi se. Scheinkraft [9] ("kuvitteellinen", "ilmeinen", "näkyvä", "false", "fiktiivinen" voima), englanniksi englanniksi. pseudo force [10] ("pseudo-force") tai englanti. kuvitteellinen voima ("fiktiivinen voima"). Harvemmin käytettyjä englanninkielisiä nimiä ovat " d' Alembert force " ( englanniksi d'Alembert force [11] ) ja "inertial force" ( englanniksi inertial force [12] ). Venäjän kielellä julkaistussa kirjallisuudessa samanlaisia ominaisuuksia käytetään myös Eulerin ja d’Alembertin voimien yhteydessä, jolloin näitä voimia kutsutaan "fiktiivisiksi" [13] , "ilmeisiksi" [14] , "kuvitteellisiksi" [8] tai "pseudo -voimille". voimat” [15] .
Samanaikaisesti inertiavoimien todellisuutta korostetaan joskus kirjallisuudessa [16] [17] , mikä vastustaa tämän termin merkitystä fiktiivisuus -termin kanssa . Samalla eri kirjoittajat kuitenkin asettavat näille sanoille erilaisia merkityksiä, ja hitausvoimat osoittautuvat todellisiksi tai kuvitteellisiksi, ei niiden perusominaisuuksien ymmärtämisen erojen vuoksi, vaan valituista määritelmistä riippuen. Jotkut kirjoittajat pitävät tätä terminologian käyttöä epäonnistuneena ja suosittelevat sen yksinkertaisesti välttämistä koulutusprosessissa [18] [19] .
Vaikka keskustelu terminologiasta ei ole vielä ohi, vallitsevat erimielisyydet eivät vaikuta liikeyhtälöiden matemaattiseen muotoiluun inertiavoimien mukana eivätkä johda väärinkäsityksiin yhtälöitä käytettäessä käytännössä.
Klassisessa mekaniikassa ajatukset voimista ja niiden ominaisuuksista perustuvat Newtonin lakeihin ja liittyvät erottamattomasti " inertiaalisen viitekehyksen " käsitteeseen. Vaikka Eulerin ja d'Alembertin hitausvoimien nimet sisältävät sanan voima , nämä fysikaaliset suureet eivät ole voimia mekaniikassa hyväksytyssä mielessä [20] [15] .
Itse asiassa fyysinen suure, jota kutsutaan voimaksi, otetaan huomioon Newtonin toisessa laissa, kun taas laki itse on muotoiltu vain inertiaalisille viitekehykselle [21] . Näin ollen voiman käsite osoittautuu määritellyksi vain sellaisille viitekehykselle [22] .
Newtonin toisen lain yhtälö, joka suhteuttaa materiaalin pisteen kiihtyvyyden ja massan siihen vaikuttavaan voimaan , kirjoitetaan seuraavasti
Yhtälöstä seuraa suoraan, että vain voimat ovat syynä kappaleiden kiihtyvyyteen ja päinvastoin: kompensoimattomien voimien vaikutus kappaleeseen aiheuttaa välttämättä sen kiihtyvyyden.
Newtonin kolmas laki täydentää ja kehittää sitä, mitä toisessa laissa sanottiin voimista.
Kaikkien Newtonin lakien sisällön huomioon ottaminen johtaa johtopäätökseen, että klassisessa mekaniikassa tarkoitetuilla voimilla on luovuttamattomia ominaisuuksia:
Klassisessa mekaniikassa ei oteta käyttöön tai käytetä muita voimia [22] [27] . Mekaniikka ei salli itsenäisesti, ilman vuorovaikutuksessa olevia kappaleita syntyneiden voimien olemassaoloa [26] [28] .
Jotkut kirjoittajat käyttävät termiä "inertiavoima" viittaamaan Newtonin kolmannen lain reaktiovoimaan . Newton esitteli käsitteen kirjassaan " Mathematical Principles of Natural Philosophy " [29] : "Aineen luontainen voima on sen luontainen vastustuskyky, jonka mukaan mikä tahansa yksittäinen kappale, koska se on jätetty itselleen, säilyttää tilansa lepo tai tasainen suoraviivainen liike. Se tulee aineen hitaudesta, että jokainen kappale saadaan vain vaivoin ulos levosta tai liikkeestä. Siksi luontaista voimaa voitaisiin hyvin ymmärrettävästi kutsua hitausvoimaksi. Tämä voima ilmenee kehossa vain silloin, kun toinen siihen kohdistettu voima saa aikaan muutoksen sen tilassa. Tämän voiman ilmentymistä voidaan tarkastella kahdella tavalla - sekä vastuksena että paineena. ”, ja varsinaista termiä ”hitausvoima” käytti Eulerin mukaan ensimmäistä kertaa tässä mielessä Kepler ( [29]) . , viitaten E. L. Nicolaiiin).
Tämän vastavoiman (joka vaikuttaa kiihdytettävään kappaleeseen kiihdytetyn kappaleen puolelta [29]) nimeämiseksi jotkut kirjoittajat ehdottavat käyttää termiä "Newtonin hitausvoima", jotta vältetään sekaannukset kuvitteellisiin voimiin, joita käytetään ei-inertiaalisissa laskelmissa. viitekehykset ja d'Alembert - periaatetta käytettäessä .
Newtonin [30] mystisten ja teologisten näkemysten kaiku on terminologia, jota hän käytti kuvaillessaan hitausvoimaa: "aineen luontainen voima", "vastus". Tämä lähestymistapa Newtonin hitausvoiman kuvaukseen, vaikka se säilyy nykyaikaisessa arjessa[ missä? ] ei kuitenkaan toivota, koska se herättää assosiaatioita kehon tiettyyn kykyyn vastustaa muutoksia , säilyttää liikeparametrit tahdonvoimalla. Maxwell huomautti, että yhtä hyvin voitaisiin sanoa, että kahvi ei tule makeaksi, koska se ei muutu makeaksi itsestään, vaan vasta sokerin lisäämisen jälkeen [29] .
Materiaalin pisteen liikeyhtälö inertiakoordinaatistossa (ISO) , joka on Newtonin 2. lain yhtälö
ei-inertiaalisessa viitekehyksessä (NFR) se hankkii neljä lisätermiä, joilla on voimamitta - niin kutsutut "inertiavoimat" [31] , joita joskus kutsutaan "eulerilaisiksi":
missä:
Neljää liikeyhtälön lisätermiä pidetään yleensä erillisinä hitausvoimina, jotka saivat omat nimensä:
Kolme ensimmäistä voimaa, jotka eivät liity pisteen liikkeeseen, yhdistetään termillä "hitausvoimat" [32] .
Joissakin tapauksissa on kätevää käyttää ei-inertiaalista viitekehystä laskelmissa, esimerkiksi:
Ei-inertiaalisissa viitekehyksessä Newtonin lakien standardiformulaatioita ei voida soveltaa. Joten kun auto kiihtyy, auton runkoon liittyvässä koordinaattijärjestelmässä sisällä olevat irralliset esineet kiihtyvät ilman niihin kohdistettua voimaa; ja kun kappale liikkuu kiertoradalla, kehoon liittyvässä ei-inertiaalisessa koordinaattijärjestelmässä, keho on levossa, vaikka siihen vaikuttaa epätasapainoinen gravitaatiovoima, joka toimii keskipetaalina siinä inertiakoordinaattijärjestelmässä, jossa kiertoradan kierto tapahtui. havaittu.
Jotta voidaan palauttaa mahdollisuus soveltaa näissä tapauksissa tavanomaisia Newtonin lakien ja niihin liittyvien liikeyhtälöiden formulaatioita jokaiselle tarkasteltavalle kappaleelle, on kätevää ottaa käyttöön kuvitteellinen voima - hitausvoima - verrannollinen tämän kappaleen massa ja koordinaattijärjestelmän kiihtyvyyden suuruus, ja vastapäätä tämän kiihtyvyyden vektoria.
Tämän fiktiivisen voiman avulla on mahdollista kuvata lyhyesti todellisuudessa havaitut vaikutukset ei-inertiaalisessa vertailukehyksessä (kiihtyvässä autossa): "miksi matkustaja painaa istuimen selkänojaa auton kiihdyttäessä? ” - "hitausvoima vaikuttaa matkustajan kehoon." Tiehen liittyvässä inertiakoordinaatistossa ei tarvita inertiavoimaa selittämään, mitä tapahtuu: siinä oleva matkustajan keho kiihtyy (yhdessä auton kanssa), ja tämä kiihtyvyys syntyy voimasta, jolla istuin vaikuttaa matkustaja .
Inertiaalisessa vertailukehyksessä (Maan ulkopuolella oleva tarkkailija) Maan pinnalla sijaitseva kappale kokee keskikiihtyvyyttä , joka on suuruusluokkaa samaan aikaan sen päivittäisen pyörimisen aiheuttaman Maan pinnan pisteiden kiihtyvyyden kanssa . Tämä kiihtyvyys määräytyy Newtonin toisen lain mukaisesti kehoon vaikuttavan keskivoiman (vihreä vektori) perusteella. Jälkimmäinen muodostuu maan keskipisteen vetovoimasta ( punainen vektori) ja tuen reaktiovoimasta (musta vektori) [35] . Siten Newtonin toisen lain yhtälö tarkasteltavalle kappaleelle inertiavertailukehyksen tapauksessa on muotoa tai, joka on sama, .
Maan mukana pyörivälle tarkkailijalle keho on liikkumaton, vaikka siihen vaikuttavat täsmälleen samat voimat kuin edellisessä tapauksessa: gravitaatiovoima ja tukireaktio . Tässä ei ole ristiriitaa, koska ei-inertiaalisessa vertailukehyksessä, joka on pyörivä Maa, on laitonta soveltaa Newtonin toista lakia sen tavallisessa muodossa. Samanaikaisesti ei-inertiaalisessa vertailukehyksessä on mahdollista ottaa huomioon inertiavoimat. Tässä tapauksessa ainoa hitausvoima on keskipakovoima (sininen vektori), joka on yhtä suuri kuin kehon massan ja sen kiihtyvyyden tulo inertiavertailukehyksessä, otettuna miinusmerkillä, eli . Tämän voiman käyttöönoton jälkeen edellä annettu kappaleen liikeyhtälö muunnetaan kehon tasapainoyhtälöksi, jonka muoto on .
Painovoimavoimien ja hitausvoiman keskipakovoiman summaa kutsutaan painovoimaksi (keltainen vektori) [36] . Tätä silmällä pitäen viimeinen yhtälö voidaan kirjoittaa muotoon ja väittää, että painovoiman ja tuen reaktiovoiman vaikutukset kompensoivat toisiaan. Huomaa myös, että keskipakovoiman suhteellinen arvo on pieni: päiväntasaajalla, jossa tämä arvo on suurin, sen osuus painovoimaan on ~0,3 % [37] . Vastaavasti vektorien poikkeamat säteen suunnasta ovat myös pieniä.
Klassisessa fysiikassa inertiavoimat esiintyvät kahdessa eri tilanteessa riippuen viitekehyksestä, jossa havainto tehdään [29] . Tämä on yhteyteen kohdistettu voima, kun sitä havaitaan inertiaalisessa vertailukehyksessä, tai tarkasteltavaan kappaleeseen kohdistettu voima, kun sitä tarkastellaan ei-inertiaalisessa vertailukehyksessä. Molemmat voimat voivat tehdä työtä. Poikkeuksena on Coriolis-voima, joka ei toimi, koska se on aina suunnattu kohtisuoraan nopeusvektoriin nähden. Samalla Coriolis-voima voi muuttaa kehon liikerataa ja siten myötävaikuttaa muiden voimien (kuten kitkavoiman) työn suorittamiseen. Esimerkki tästä on Baer-efekti .
Lisäksi joissakin tapauksissa on suositeltavaa jakaa Coriolis-voima kahteen osaan, joista jokainen toimii. Näiden komponenttien tuottama kokonaistyö on nolla, mutta tällainen esitys voi olla hyödyllinen analysoitaessa tarkasteltavana olevan järjestelmän energian uudelleenjakoprosesseja [38] .
Teoreettisessa tarkastelussa, kun dynaaminen liikkeen ongelma pelkistetään keinotekoisesti staattisen ongelmaksi, otetaan käyttöön kolmas voimatyyppi, nimeltään d'Alembert-voimat, jotka eivät tee työtä niiden kappaleiden liikkumattomuuden vuoksi, joihin nämä voimat vaikuttavat. toimia.
Painovoima- ja hitausvoimien vastaavuusperiaatteen mukaan on paikallisesti mahdotonta erottaa, mikä voima vaikuttaa tiettyyn kappaleeseen - gravitaatiovoima vai hitausvoima. Tässä mielessä yleisessä suhteellisuusteoriassa ei ole globaaleja tai edes äärellisiä inertiaalisia viitekehyksiä.
D'Alembertin periaatteessa otetaan huomioon hitausvoimat, jotka todella puuttuvat luonnosta ja joita ei voida mitata millään fyysisellä laitteella .
Nämä voimat on otettu käyttöön keinotekoisen matemaattisen tekniikan käyttämiseksi, joka perustuu d'Alembert-periaatteen soveltamiseen Lagrangen formulaatiossa , jossa liikkeen ongelma inertiavoimien avulla on muodollisesti pelkistetty tasapainoongelmaksi [29] .