Предлагается модифицировать II-й
закон Ньютона. Оказывается, достаточно добавить в левую часть фиктивную силу , чтобы смысл II-го
закона не сохранился:
.
Введение фиктивной силы , которая называется силой инерции позволило сохранить прежний смысл и вид II –го закона Ньютона в неинерциальной системе отсчета.
. (10)
Здесь - результирующая сила,
- сила инерции,
-
ускорение относительно неинерциальной системы отсчета. Ускорение тела в
лабораторной, инерциальной системе отсчета -
, и
второй закон Ньютона, как и следует:
(11)
Последнее эквивалентно (10).
Таким образом описание движения в неинерциальной системе отсчета сводится к добавлению силы инерции равной произведению массы тела на ускорение системы отсчета относительно заданной инерциальной, взятую с обратным знаком.
В отличие от ранее рассмотренных сил сила инерции не имеет источника, не вызвана взаимодействием с каким либо телом; действует на все тела, в том числе и находящиеся вне неинерциальной системы отсчета.
Пример 1. Рассмотрим вращающееся по окружности радиуса тело массы
. Сила,
натяжения, действующая на тело, приводит его в движение по окружности с
центростремительным ускорением
. В лабораторной системе
отсчета – системе, связанной с центром окружности второй закон Ньютона
записывается в виде:
. В системе отсчета, связанной с
вращающимся телом – по определению неинерциальной системе, следует добавить силу
инерции
. Следовательно
, если
ускорение тела в его собственной системе отсчета равно нулю. Сила
называется центробежной.
Действительно, она направлена от центра вращения – противоположна
центростремительной силе. Более общий случай: тело движется относительно
вращающейся системы отсчета с ускорением
. Второй
закон Ньютона в этом случае принимает вид:
. Здесь
- результирующая всех сил, действующая со
стороны других тел,
- центробежная.
Пример 2. На краю диска, радиуса ,
который вращается с угловой скоростью
относительно
оси, равномерно вращается тело массы
с угловой скоростью
вокруг той – же оси. Пусть скорости
вращения отличаются:
. В лабораторной системе отсчета
– для вращения с заданной угловой скоростью
требуется центростремительная сила –
(12)
В системе отсчета, связанной с вращающимся диском тело имеет линейную скорость:
(13)
Выразив из (13) и подставив в
(12) найдем центростремительную силу
:
.
Двигаясь относительно диска с линейной скоростью , частица имеет центростремительное
ускорение в системе диска
. Попробуем написать
уравнение движения частицы в системе диска. Сумма всех сил в левой части
уравнения равна массе на ускорение в системе диска в правой части уравнения.
Записывая в такой форме, находим:
. (14)
Уравнение (14) по виду напоминает II-й
закон Ньютона. В правой части – произведение массы на ускорение, в правой части
имеются - сила натяжения,
-
центробежная сила. По – видимому
также какая- то сила.
Для сохранения прежнего смысла закона Ньютона будем считать
новой фиктивной силой и будем называть ее
силой Кориолиса, по имени французского физика Г. Кориолиса, который ее ввел.
Итак:
.
Кориолисова сила действует только на те тела, которые
движутся во вращающейся системе - . В векторной форме:
(15).
Пример. Пусть на краю вращающейся платформы радиуса находится тело массы
. Если тело удерживается на краю платформы,
например, силами трения, и остается неподвижным относительно платформы, то на
тело в его собственной системе отсчета действует центробежная сила. Если тело
оторвалось от края платформы, то в лабораторной - инерциальной системе отсчета
оно будет двигаться равномерно по касательной к окружности. Во вращающейся
системе отсчета – неинерциальной тело будет ускоряться центробежной силой вдоль
радиуса. Считаем для простоты, что других сил нет.
Встанем в центр вращающегося диска. Вокруг нас закрутились все неподвижные в лабораторной системе отсчета тела. Раз система отсчета связанная с наблюдателем в центре диска неинерциальная, то на все тела, закрутившиеся вокруг центра, действуют центробежные силы. Почему же они – центробежные силы не приводят в движение эти тела?
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.