Неінерціальної системи ВІДЛІКУ
Коли Н. Коперник замінив систему відліку, пов'язану із Землею і прийняту ще в II ст. К. Птолемей, на систему, пов'язану з Сонцем, і пояснив в ній рух планет, він зробив революцію в людському мисленні. Багато століть, аж до XVI століття, люди користувалися єдиною, виділеної системою відліку, хоча рух планет і
Біографії вчених (див. Оригінал)
Сонця в ній описувалося дуже складним чином. Трохи пізніше з праць Г. Галілея та І. Ньютона стало ясно, що для опису руху настільки ж придатні і всі інші системи відліку, що рухаються рівномірно і прямолінійно по відношенню до системи нерухомих зірок. Так були відкриті інерціальні системи (див. Інерція), в яких рухом тел керують закони класичної механіки І. Ньютона.
Ну, а що було далі з системою відліку, пов'язаної з Землею? Адже Земля для нас, що живуть на ній, все-таки виділена система. Досліджуючи рух тіл, найчастіше взагалі можна забути про Сонце і зірках. Строго кажучи, ця система відліку не є інерціальній, так як Земля обертається навколо своєї осі і навколо Сонця. Однак прискорення, пов'язані з цими рухами, малі, і зазвичай ми робимо лише невелику помилку, користуючись для опису руху на Землі законами Ньютона. Зазвичай, але не завжди.
Згадаймо про знаменитого маятнику Фуко в Ісаакієвському соборі в Ленінграді. Цей маятник не просто коливається, але площину його коливань ще й повільно повертається. Такий досвід вперше в 1851 р зробив французький вчений Л. Фуко. Дослід проводився в величезному залі Паризького пантеону. Куля маятника важив 28 кг, а довжина нитки дорівнювала 67 м.
Як же пояснити рух маятника Фуко? Адже якби на Землі строго виконувалися закони Ньютона, маятник коливався б в одній площині. Значить, в неінерціальної системи відліку закони Ньютона треба «виправити». Це роблять, вводячи спеціальні сили - сили інерції.
Неінерційній система відліку - це будь-яка система, що рухається по відношенню до інерціальній з прискоренням. Вона може рухатися поступально, може обертатися, можливі і комбінації цих рухів. Напевно, найпростіший приклад неінерціальної системи відліку - рухомий прискорено ліфт. При русі ліфта вгору можна відчути «обваження» при розгоні ліфта і наближення до невагомості при різкому гальмуванні. Якщо користуватися в системі ліфта законами Ньютона, то цього зрозуміти не можна. На людину діє сила тяжіння, і, так як в системі ліфта він знаходиться в стані спокою, сила реакції з боку статі повинна була б дорівнювати силі тяжіння. Але з досвіду ясно, що це не так. Тому до сили тяжіння треба додати якусь силу при розгоні ліфта і відняти її при уповільненні. Це і є сила інерції:
де - прискорення ліфта, - маса людини. Тепер все в порядку: при розгоні ліфта прискорення направлено вгору і сила інерції «обважнює» знаходиться там людину, а при уповільненні, навпаки, «полегшує» (див. Рис.). Зауважимо, що сила інерції схожа на силу тяжіння. Обидві сили пропорційні масі тіла. У той же час сила інерції принципово відрізняється від звичайних сил, так як вона не пов'язана з взаємодією реальних тел. Ці характерні риси сил інерції зберігаються і під обертається системі.
Уявіть собі, що ви крутиться на каруселі. Тоді вас обов'язково притискає до зовнішньої сторони крісла, немов якась сила відкидає вас від центру обертання. Чи можна це зрозуміти, користуючись законами Ньютона під обертається системі? Знову ж немає. У цій системі ви спокою, а на вас діє сила реакції з боку крісла, спрямована до центру. Значить, другий закон Ньютона порушується. Але все встає на свої місця, якщо ввести в обертовій системі силу інерції - відцентрову силу. Вона врівноважить силу реакції крісла, і тоді зрозуміло, чому в цій системі руху немає.
Тепер розглянемо випадок, коли людина не просто катається на каруселі, але ще і перебирається з одного крісла в інше, наприклад, в напрямку обертання, т. Е. Рухається з деякою швидкістю по колу в системі каруселі.
Виявляється, що тоді з'являється додаткова сила інерції, відкидається людини від центру:
де знак вказує, що ця сила спрямована від центру обертання; г - радіус каруселі, про - кутова швидкість обертання, швидкість обертання в системі каруселі.
Перший член в правій частині формули - це вже знайома нам відцентрова сила. Вона тим більше, чим сильніше обертання і чим далі відстоїть тіло від центру. Другий член - коріолісова сила (від імені французького вченого Г. Коріоліса, вперше її розрахував в 1831 р). Вона діє тільки на тіло, що рухається під обертається системі, і не залежить від його положення.
При русі під обертається системі не по колу, а, наприклад, по радіусу сила Коріоліса буде спрямована убік, перпендикулярно радіусу. Отже, при будь-якому русі під обертається системі ця сила спрямована перпендикулярно осі обертання і швидкості тіла.
Тепер зрозуміло, що саме сила Коріоліса пояснює обертання площини коливань маятника Фуко. І хоча діюча на Землі сила Коріоліса мала, вона призводить до ще цілої низки дуже важливих ефектів. Так, завдяки їй пасати - вітри, що дмуть від тропіків до відхиляються на захід. Вона ж пояснює закон Бера - біля річок в північній півкулі правий берег крутіший і підмитий, ніж лівий, а в південному - навпаки.
В цьому випадку сила Коріоліса притискає воду до берега в напрямку обертання Землі, т. Е. До правого - в північній півкулі і класному - в південному.
Коріолісова сила призводить і до відхилення падаючих тіл на схід. Цей ефект послужив одним з експериментальних доказів теорії Коріоліса. У 1833 р в Фрей-бургское шахті німецький фізик Ф. Райх провів дуже точні експерименти і показав, що при вільному падінні тіл з висоти їх відхилення в середньому по 106 дослідам становить 28,3 мм.
Зрозуміло, що силу Коріоліса необхідно враховувати і при русі ракет.