Инерциальный закон. Центробежная сила инерции. Поступательное движение систем

Идея закона инерции была высказана Галилеем в начале XVII в. Галилей первый ввел в физику представление об «идеальном движении», т. е. о движении, свободном от всяких помех - таких, как трение и сопротивление воздуха. Галилей пришел к правильному выводу, что в идеальном случае тело, освобожденное от влияния тяжести, должно вечно двигаться с неизменной скоростью. Декарт развил этот вывод и указал, что свободное тело стремится продолжать свое движение по прямой линии. Ньютон принял закон инерции в качестве первого закона механики и выразил его следующими словами:

Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние.

Представляется само собой понятным, что тело, пребывающее в покое, будет оставаться в покое, пока оно не выведено из этого состояния действием каких-либо сил. Точно так же представляется понятным, что если на движущееся прямолинейно тело не действуют никакие силы, то нет причин, которые могли бы побудить тело отклониться от прямолинейного пути (здесь можно было бы сослаться на соображения симметрии; в отсутствии сил отклонение тела от прямолинейного пути в любую наперед указанную сторону не более возможно, чем отклонение в сторону прямо противоположную; поэтому нет оснований, чтобы отклонение произошло). Менее очевидным на первый взгляд является утверждение, что при отсутствии сил скорость тела будет оставаться неизменной; в повседневном опыте мы наблюдаем обратное. Всякое движущееся тело, если его движение не поддерживать действием силы, рано или поздно останавливается, но, с другой стороны, тот же повседневный опыт указывает нам, что остановка происходит тем быстрее, чем более велики существующие сопротивления движению. Мы совершенно правильно привыкли рассматривать силы сопротивления как причину замедления Движения; поэтому, если мы вообразим, что некоторое тело движется, не испытывая никаких сопротивлений своему движению, то

естественно ожидать, что в этих условиях скорость тела будет оставаться неизменной.

Вследствие сказанного иногда рассматривают закон инерции как истину априорную (т. е. как истину, установленную умозрительно и не нуждающуюся в обосновании посредством опыта). Это, однако, неверно. Все три ньютоновых закона механики (закон инерции и два других закона, которые мы рассмотрим в последующих параграфах) представляют собой истины, добытые опытным путем. В этом их значение. Что закон инерции действительно почерпнут из опыта, а не получен чисто умозрительным путем, в этом легче всего убедиться, глубже вникнув в смысл закона инерции и сопоставив его (что будет сделано ниже) с теми представлениями, которые существовали ранее по поводу законов движения электрических зарядов.

Следуя Ньютону, под «инерцией» надлежит понимать не просто факт покоя или факт равномерного движения при отсутствии сил, но некое присущее всякой массе упорное стремление к сохранению состояния покоя и такое же упорное стремление к сохранению равномерного прямолинейного движения. Пока тело предоставлено самому себе, пока на него не действуют никакие силы, «упорство инерции», понятно, не может проявиться ни в чем ином, как в том, что тело продолжает пребывать в покое или продолжает двигаться равномерно и прямолинейно. Но когда мы выводим тело из состояния покоя или заставляем его двигаться быстрее, или затормаживаем его, или отклоняем его от прямолинейного пути, то упорство инерции проявляется в виде оказываемого телом сопротивления, направленного против приложенных к телу сил.

Чтобы оттенить эту мысль, которую мы здесь за отсутствием более подходящих слов стремились выразить словами «упорство инерции», Ньютон говорит, что всякому телу присуща пропорциональная массе этого тела «врожденная сила сопротивления», или, что то же, сила инерции. Этот эпитет «врожденная сила» производит впечатление метафизической идеи, однако из всего сказанного Ньютоном о силах инерции ясно, что этим несколько неудачным выражением Ньютон хотел только подчеркнуть, что 1) инерция составляет неотъемлемое свойство всех тел, присущее им независимо от их физического состояния и химической природы и проявляющееся при всех изменениях характера движения тела, 2) инерция существует объективно, а не определяется произвольным выбором системы ориентировки, по отношению к которой исследуется движение тел. Ньютон пишет: «Сила инерции проявляется телом единственно лишь, когда другая сила, к нему приложенная, производит изменение в его состоянии движения. Проявление этой силы инерции может быть рассматриваемо двояко: и как собственно сопротивление и как напор. Как собственно сопротивление, поскольку тело противится действующей на него силе, стремясь сохранить свое состояние

движения; как напор, поскольку то же тело, с трудом уступая силе сопротивляющегося ему препятствия, стремится изменить состояние этого препятствия».

Когда какое-либо тело вследствие каких-либо причин начинает двигаться быстрее или медленнее, то это тело развивает (проявляет) силу инерции, но приложена эта сила инерции к другим телам и именно к тем, которые изменяют состояние движения первого тела. Так, например, когда мы бросаем камень, то развиваемая камнем сила инерции приложена к нашей руке: камень давит на руку. Когда, стоя на гибкой доске, мы подпрыгиваем, то развиваемая нами сила инерции прогибает доску. Когда велосипедист с большой скоростью врезывается в толпу людей, он, не нажимая педалей, продолжает некоторое время двигаться по инерции, опрокидывая людей, но развиваемая велосипедистом вследствие потери скорости сила инерции приложена, понятно, не к велосипедисту, но именно к тем людям, которых он опрокидывает.

Можно ли сказать, что это представление об инерции, которое и составляет сущность первого закона механики, является продуктом чисто умозрительного творчества, а не обобщением наблюдаемых фактов? Конечно, нет! Мы могли бы вообразить, что какое-либо тело лишено инерции, что действие приложенной к нему силы вызывает и поддерживает его движение, а когда действие приложенной силы прекращается, то тело мгновенно останавливается. Именно эту точку зрения применительно к электрическим зарядам развил Ампер в своих классических трудах по электродинамике; Ампер исходил из принципа, что электричество лишено инерции. Впоследствии было обнаружено, что этот принцип ложен; элементарные электрически заряженные частицы - электроны - имеют массу, и им свойственна инертность. Даже свет имеет инертную массу. На современной ступени развития физики мы не знаем ни одного проявления материи, которое было бы лишено инерции.

1. При этом компенсируются действия воды и гребцов.

2. В чем состоит явление инерции?

2. Явление инерции состоит в том, что при компенсации действий на тело других тел или при отсутствии воздействий на тело оно может сохранять свою скорость постоянной.

3. В чем состоит первый закон Ньютона (закон инерции)?

3. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела.

4. При каких условиях тело может двигаться прямолинейно и равномерно?

4. Тело может двигаться прямолинейно и равномерно в условиях скомпенсированного воздействия на него других тел.

5. Какие системы отсчета используются в механике?

5. Инерциальные системы отсчета.

6. На рисунке 1 показан пример поступательного движения тела (чемодана). Можно ли сказать, что все воздействия других тел на чемодан скомпенсированы?

6. Нет. Тело совершает криволинейное и неравномерное движение. При этом значение и направление вектора скорости во время движения меняется. Это значит, что воздействия на него других тел не скомпенсированы.

Результаты экспериментов Галилея свидетельствовали о том, что чем меньше сопротивление движению, тем меньше изменение скорости и тем дольше движется шарик. Размышляя над такими результатами, Галилей пришел гениальному выводу: при полном отсутствии силы трения или сопротивления скорость тела постоянна, и для поддержания движения не нужно прилагать никакой силы. Математически это можно записать так: = const, если = const. Явление сохранения телом скорости при отсутствии внешних воздействий на него со стороны других тел называют инерцией, а это свойство тела — инертностью. А закон, открытый Галилеем, называют законом инерции и формулируют так: если на тело не действуют другие тела, оно движется прямолинейно и равномерно или находится в состоянии покоя.

Отметим, что физический смысл закона инерции заключается в том, что свободные друг относительно друга материальные точки (материальные точки, на которые не действуют другие тела) движутся прямолинейно и равномерно.

О том, что телу свойственно хранить любое движение, а именно прямолинейный, свидетельствует такой опыт (рис. 2). Шарик движется прямолинейно по плоской горизонтальной поверхности, сталкиваясь с препятствием, которое имеет криволинейную форму, под действием этого препятствия вынуждена двигаться по дуге. Однако когда шарик доходит до конца препятствия, она перестает двигаться криволинейно и снова начинает двигаться по прямой.

Рассматривая механические движения в доме на берегу моря и в каюте корабля, Г. Галилей обнаружил, что они осуществляются одинаково, когда корабль плывет по гладкой поверхности без ускорения. Очень важным для всего последующего развития физики оказалось утверждение Галилея о том, что никакими механическими опытами, которые проводятся внутри инерционной системы отсчета (для пассажира ней есть каюта корабля), невозможно установить, находится эта система в покое, или движется равномерно и прямолинейно. Это утверждение называют принципом относительности Галилея. Человек в каюте корабля может установить факт движения только тогда, когда она будет наблюдать внешние тела: остров, берег моря и т.д..

Инерционными Ньютон назвал такие системы, для которых единственным источником ускорения есть сила, то есть взаимодействие с другими телами. Системы отсчета, которые движутся относительно инерциальных систем с ускорением (поступательно или вращательно), он назвал неинерциальных. Ньютон, рассматривая инерциальную систему отсчета (ИСО), так и не смог указать тело, которое было бы для нее телом отсчета. Окружающие тела движутся ускоренно: дом вращается вокруг оси Земли, а вместе с ее поверхностью — вокруг Солнца. Системы отсчета, связанные с окружающими телами, неинерциальные, но их ускорения в основном очень малы. Ускорение автобуса составляет около 1 м/с2, большого корабля — несколько cм/с2, Земли — 6 мм/с2, Солнца — около 10-4 см/с2. Соответственно, чем больше масса тела отсчета, тем меньше его ускорение. Поэтому ИСО — это абстрактное понятие, если бы она существовала, то имела бы бесконечно большую массу. Очевидно, что наибольшую массу из тел, окружающих нас, имеет Солнце, поэтому связанная с ним система отсчета почти инерционной. В этой ИСО начало отсчета координат совмещают с центром Солнца, а координаты осей проводят в направлении реальных звезд, которые можно считать неподвижными.

Однако для описания многих механических явлений с земных условий ИСО связывают с Землей, пренебрегая при этом вращательными движениями Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Например, изучая свободное падение, нужно было бы учитывать ускорение лаборатории (2-3 см/с2), поскольку Земля вращается вокруг своей оси. Но ускорение лаборатории в несколько сотен раз меньше ускорения свободного падения, поэтому им обычно пренебрегают. В большинстве задач Землю считают идеальным телом отсчета, а связанные с ней системы — инерционными.

Сейчас понятно, что абсолютно неподвижных тел или тел, которые движутся строго равномерно и прямолинейно, в природе не существует, поэтому инерционная система отсчета — такая же абстракция, как и материальная точка или абсолютно твердое тело. Инерционными системами отсчета называют системы, относительно которых тело движется равномерно прямолинейно или находится в покое. Время во всех ИСО измеряют одинаково. Масса тела m = const, его ускорения и силы взаимодействия не зависят от скорости ИСО. В любых ИСО все механические явления происходят одинаково при одних и тех же начальных условиях (другая формулировка принципа относительности Галилея).

Исаак Ньютон сформулировал закон инерции, который гласит, что если физическому телу ничего не мешает (равнодействующая всех сил рав­на нулю), то оно продолжит равномерное движение (инерция движения) или будет оставаться в состоянии покоя (инерция покоя).

Идея, заложенная в этом законе, оказалась настолько содержательной, что неявно получила статус универсальной. Ссылки на инерцию можно най­ти не только в физике, но и в психологии, экономике, во многих других на­уках и даже - в самой человеческой жизни.

С практической точки зрения, всякий раз, когда на основе ожидания продолжения чего-то прежнего прогнозируется будущее течение событий (цепь неприятностей или успехов, тенденция положения к ухудшению или улучшению и т.д.), - это, по существу, в той или иной форме и мере и есть ставка на закон инерции.

Неудивительно, что он давно уже обнаружен и в движении биржевых цен. Здесь любое развитие событий можно представить, как произвольную комбинацию двух состояний:
инерции покоя (результат отсутствия каких-либо заслуживаю­щих внимания информационных вводных);
инерции движения, которое когда-то возникло под воздействи­ем определенного импульса любой природы: макроэкономика, психология, слухи-страшилки, воля случая и т.д., а теперь, выйдя из периода покоя, продолжается.

В фактическом признании существования инерции применительно к поведению рынка преуспели и техники. Это выражается, в частности, в том, насколько высоко на пьедестал почета возведено явление тренда в дви­жении цен. В 60-х годах появился целый ряд научных работ, в которых при­водилось математическое обоснование существования тенденции и ее со­хранности. Идея тренда живет и здравствует по сей день.

Кроме того, надежды технических аналитиков именно на инерцию явно просматриваются в сигналах некоторых систем чтения поведения рынка.

Если рассматривать пространства случайных событий и, в частности, наше дополнительное измерение, то там, надо полагать, тоже действует какая-то своя инерция.

Таким образом, с методической точки зрения различные сценарии (конфи­гурации) развития событий в дополнительном измерении, в том числе и такие наиболее вероятные, как тренды и волны, удобно рассматривать в ка­честве проявления некой разновидности инерции, понимая, однако, су­ществующую здесь известную долю условности.

Как движение графика, так и его зависание (отсутствие вы­раженного направления) в дополнительном измерении - это разные проявления инерции.

В самом общем виде формулировка закона инерции применительно к дополнительному измерению может звучать примерно так:
если нечто (движение или покой) началось, то, скорее всего, оно будет продолжаться еще некоторое время.

Разумеется, в каждой конкретной серии испытаний будет складываться своя неповторимая конфигурация кривой. Но всегда можно обнаружить самые разнообразные следы инерции движения и/или покоя в виде тех или иных тенденций.

Это несложно увидеть на графике случайного блуждания, построенном по первым 1000 случайным числам:

На уровне микроскопического анализа приведенного рисунка мож­но видеть многократные переходы инерции движения в зависание и обратно.

С прикладной точки зрения важность данного закона заключается в том, что он позволяет внести в хаос случайности долю упорядочен­ности.

Иначе говоря, если в движении кривой дополнительного измерения обнаруживаются элементы порядка, то, исходя из закона инерции, можно строить расчет на наиболее вероятном сценарии - сохранение текущего положения в течение какого-то времени. Именно на этой основе можно за­ тем принимать соответствующие практические решения.

О каком порядке может идти речь в условиях неопределенности?

Действи­тельно, всякое упоминание упорядоченности при рассмотрении случайных событий может показаться весьма неуместным.

И все же, своя упорядоченность в случайных событиях существует.

Она вполне зримо проявляется хотя бы в том, что, согласно расчетам, в рам­ках принятой математической модели есть только два наиболее вероятных сценария развития событий (тренд и полуволна).

Можно обозначить по крайней мере три источника упорядоченности, проявляющейся в виде закона инерции:
случайные совпадения (иногда они складываются в удивитель­но осмысленный порядок);
исходное соотношение исходных вероятностей преимуществен­ но в пользу успеха (р) или неудачи (q), что заранее опреде­ляет упорядоченное тяготение исходов к соответствующему сум­марному результату (менее вероятное событие будет происхо­дить реже, чем более вероятный исход) ;
удачливость игрока, которая проявляет себя в конфигурации, со­гласно теоремам арксинуса (в классической теории вероятнос­тей говорится об относительной трудности возвращения точ­ки блуждания в начало координат, поскольку, согласно объяс­нению В. Феллера, если уж точка случайно отклонилась от нулевого уровня, то ей труднее вернуться обратно).

Итак, хотя пуассоновское блуждание беспамятно, оно подчиняется за­кону инерции движения, который проявляется, прежде всего, в том, что всякое состояние (некое направление движения или покой) может продол­жаться еще в течение некоторого времени, так сказать, по инерции.

Коротко говоря, благодаря закону инерции случайные пространства вы­глядят не столь уж хаотично.

Конечно, вероятностный характер этой упорядоченности означает и не­ определенность. В заданной серии испытаний неопределенность возникает по двум основным пунктам:
какая тенденция будет иметь место;
как долго она будет продолжаться.

И на сей счет мы можем делать лишь вероятностные суждения исходя из действующих закономерностей чисто случайных пространств.

Под тенденцией в расширительном понимании мы имеем в виду не только сохранение определенных графических фигур, по которым можно судить о направлении будущего движения или покое.

Проявления инерции можно ожидать также и в тенденции к сохра­нению во времени любых обнаруженных правил или закономерностей блуждания, которые носят не только графический, но и какой-то иной характер.

Время действия инерции.

Это наиболее важный параметр, от которого зависит процесс принятия решений в дополнительном измерении.

Сразу подчеркнем, что продолжительность времени действия инерции как параметра, имеющего конкретную величину, - явление само по себе неопределенное. Мы никогда заранее не знаем не только то, какого вида инерция возникнет в следующий момент, но и сколько она будет длиться. Мож­но быть уверенным только в том, что это, как принято говорить при ана­лизе поведения рынка, будет продолжаться до тех пор, пока не закончится.

Мы рассматриваем время действия инерции как величину чисто случайную, которая, следовательно, сама должна подчиняться закону инер­ции и всем действующим вероятностным закономерностям.

Методические следствия: Рождение и смерть разных тенденций в дополнительном измерении происходит по воле случая, который будет да­вать о себе знать все новыми вариантами. Важно суметь вовремя их обнару­жить и оседлать.

Рассмотренные выше понятия и закономерности, которым подчиняются наиболее вероятные конфигурации кривой в дополнительном измерении, в качестве следствий позволяют сформулировать, по меньшей мере, два вы­вода, имеющих непосредственное методическое приложение.

Первое следствие:
если в ходе наблюдения обнаруживается некоторая тенденция к сохранению определенного направления движения, то, вероят­нее всего, оно будет по инерции продолжаться.

Поэтому второе следствие:
если на каком-то этапе наблюдения обнаруживается неопреде­ленность в направлении (отсутствие тенденции), то она будет по инерции сохраняться в течение некоторого времени.

Кроме того, если понимание инерции применять к более широкому кругу явлений, то сказанное выше можно дополнить еще следующим положением:
если при анализе случайного движения на каком-то участке на­блюдения удается выявить какую-то частную закономерность или неопределенность, то такая ситуация, вероятнее всего, бу­дет сохранять свою инерцию в течение еще некоторого про­странственно-временного периода.

Особо подчеркнем, что для предметной разработки методов необходимо с помощью достаточно понятных и однозначно понимаемых критериев точ­но определить понятия тенденция и неопределенность движения.

При этом придется прояснить содержание параметров наблюдения, ко­торые описывают те пределы, где:
кончается неопределенность и начинается направление движения;
кончается выраженность направления движения и начинается неопределенность.

Если в этих понятиях не будет достигнуто необходимой четкости, то затруднительной станет и разработка соответствующих прикладных методик.

Наконец, затронем еще один методический вопрос, который возникает в связи с практическим приложением закона инерции: имеет ли дополни­тельное измерение преимущества в сравнении с применением закона не­посредственно в традиционных пространствах?

На наш взгляд, ответ положительный.

Причина в том, что в дополнительном измерении, как уже ранее подчер­кивалось, действует только воля чистого случая. В то же время чистота традиционных пространств в этом смысле значительно подпорчена пси­хологией участников рынка.

Восемнадцатая серия видеоуроков физики посвящена одному из законов, открытому великим Исааком Ньютоном, а именно — закону инерции Ньютона. Во многом благодаря действию этого закона, наш мир таков, каким мы привыкли его видеть. Также Даниил Эдисонович расскажет юным телезрителям о силе трения, которая также вносит немалый вклад в устройство нашего мироздания.

Закон инерции Ньютона

Инерция — основное свойство материальных тел. А вы знаете, в чём оно заключается? В одной из прошлых передач Даниил Эдисонович рассказывал о таком физическом понятии, как масса. Масса — это мера инертности тела. То есть, инерция напрямую зависит от массы. Закон инерции Ньютона называют ещё Первым законом Ньютона. Свободное тело, на которое не действуют силы со стороны других тел, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения (понятие скорости здесь применяется к центру масс тела в случае непоступательного движения). Иными словами, телам свойственна инерция, то есть явление сохранения скорости, если внешние воздействия на них скомпенсированы. Иными словами, существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на него внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции Ньютона, называют инерциальными системами отсчёта (ИСО). Явлением инерции также является возникновение фиктивных сил инерции в неинерциальных системах отсчета. Впервые закон инерции был сформулирован Галилео Галилеем, который после множества опытов заключил, что для движения свободного тела с постоянной скоростью не нужно какой-либо внешней причины. До этого общепринятой была иная точка зрения (восходящая к Аристотелю), которая гласила, что свободное тело находится в состоянии покоя, а для движения с постоянной скоростью необходимо приложение постоянной силы. Впоследствии Ньютон сформулировал закон инерции в качестве первого из трёх своих знаменитых законов. Инерция — это не только стремление тела к сохранению покоя, но и стремление сохранить движение, если уж оно начало двигаться. А что ещё мешает телу двигаться, кроме силы инерции? Может быть, вам уже приходилось слышать о трении? Трение — это сила, которая возникает при взаимодействии поверхности одного тела с поверхностью другого тела. Также трение возникает при движении тела в газообразной или жидкой среде. Сила трения — это сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному движению. Причинами возникновения силы трения являются шероховатость соприкасающихся поверхностей и взаимное притяжение молекул этих поверхностей.