Текст книги "Физика движения. Альтернативная теоретическая механика, или Осознание знания. Книга в двух томах. Том I"

Величина кинетической энергии вращательного движения тела меньше кинетической энергии прямолинейного движения тела до его «захвата» связующим телом, т.е. до начала процесса преобразования прямолинейного движения во вращательное движение. Часть энергии прямолинейного движения переходит в потенциальную энергию остаточной деформации.

Если происходит постепенный разгон тела, движущегося по окружности, то энергия установившегося движения тела по окружности также будет меньше энергии, затраченной на разгон тела, т.к. часть энергии разгона перейдет в потенциальную энергию остаточной деформации. Поэтому линейная скорость установившегося движения тела по окружности (Vл) всегда меньше скорости прямолинейного движения тела (Vп).

Поскольку вращательное движение происходит с постоянной средней линейной скоростью, среднее ускорение в направлении линейной скорости также как и среднее ускорение в радиальном направлении равно нулю. В связи с этим равномерное вращательное движение является внутренним движением замкнутой системы, которая, как и любое физическое тело в отсутствие внешних сил подчиняется первому закону Ньютона.

В пределах одного цикла равномерного вращательного движения тела оно, безусловно, является неравномерным движением. Но если рассматривать вращательное движение как физическое явлением в целом, в котором все средние величины параметров вращения постоянны, то такое вращательное движение можно рассматривать как равномерное движение в отсутствии внешних сил. В связи с этим первый закон Ньютона применительно к движению по окружности можно сформулировать следующим образом:

Тело находится в состоянии покоя, движется равномерно и прямолинейно или равномерно вращается до тех пор, пока его не выведет из этих состояний воздействие со стороны других тел.

Причём в таком определении первого закона Ньютона нет никаких противоречий. Колебательные движения вращательного движения, как в радиальном, так и тангенциальном направлении осуществляются за счёт внутренней энергии вращающейся системы, запасённой в связующем теле. Следовательно, тело равномерно и криволинейно движется по окружности в отсутствие внешних сил или как предлагает считать профессор Гулиа при их полном равновесии, т.е. «по инерции» (под охраной сил инерции или с сохранением энергии инерции), а внутренние автоколебания этому нисколько не мешают.

Единственное отличие криволинейного, а именно кругового движения по инерции от прямолинейного движения по инерции состоит в том, что в равномерном движении по окружности отсутствует состояние покоя. Движение по окружности является абсолютным движением при любом радиусе и линейной скорости вращения, кроме нулевой линейной скорости, потому что при нулевой линейной скорости вращательного движения просто нет. Но классическая формулировка первого закона Ньютона с добавлением фразы «или равномерно вращается», как показано выше, этому нисколько не противоречит.

Профессор Гулиа Н. В. категорически против отождествления первого закона Ньютона с равномерным вращательным движением. И об этом он написал уже не одну книгу. По его мнению, во вращательном движении в отсутствии внешних сил может сохраняться только угловой момент, а мерой инертности во вращательном движении является не масса, а момент инерции (в нашей редакции – приведённое сопротивление).

С изменением же момента инерции, которое, как считает Гулиа, может осуществляться в отсутствие внешних сил, происходит и изменение углового момента, т.е. состояния вращения тела. Однако как будет показано ниже в главе 3.5, изменение момента инерции может осуществляться только за счёт внешних сил.

Гулиа выдвигает ещё одно возражение против отождествления равномерного вращательного движения с первым законом Ньютона, которое мы можем опровергнуть уже в этой главе без нарушения последовательности изложения, т.е. без привлечения содержания последующих глав.

Профессор Гулиа отождествляет первый закон Ньютона, в котором нет ускорения, с законом инерции, который проявляется только с появлением ускорения, т.е. фактически со вторым законом Ньютона (см. гл. 1.1.). Напомним, что Гулиа не одинок, он достаточно полно представляет точку зрения современной классической физики, поэтому на его примере мы возражаем не столько ему, сколько классической физике.

Вот, что говорит в подтверждение своих утверждений сам Гулиа: «Угловую скорость можно измерить, например, с помощью определения упругих деформаций тела, без какой-либо информации о положении тела по отношению к „абсолютной“ системе координат». (Гулиа Н. В. «Физика Парадоксальная механика в вопросах и ответах»). Тем самым Гулиа противопоставляет равномерное вращательное движение равномерному и прямолинейному движению, которое никакими внутренними механическими опытами обнаружить невозможно. Равномерное же вращательное движение, по мнению Гулиа, можно обнаружить внутренними опытами по его деформациям.

Внутренние силы во вращающейся системе в отличие от покоящейся или равномерно и прямолинейно движущейся системы, безусловно, есть. Но с каких это пор внутренние силы и вызываемые ими деформации стали являться свидетельством наличия или отсутствия движения системы в целом? Ё! Внутренние силы, как раз не противоречат первому закону Ньютона! Именно поэтому никаким внутренним механическим опытом невозможно определить, покоится ли данное тело или движется равномерно и прямолинейно.

Все мы знаем, что деформации и внутренние силы во вращающейся системе зависят от скорости вращения. Никакого открытия Гулиа в этом не сделал. Но эти наши знания не являются прямым свидетельством движения. Если скорость вращения постоянная, то никаким внутренним опытом нам даже не удастся определить само существование деформации и силы, т.к. для этого мы должны знать геометрические размеры и величину силы системы при другой скорости её вращения, чтобы было с чем сравнивать. Для этого необходимо перейти в другую абсолютную систему координат, либо не вращающуюся, либо вращающуюся с другой скоростью. Но точно так же мы можем определить, покоится тело или движется равномерно и прямолинейно, спрыгнув с этого тела в другую систему координат, которая вполне может иметь другую скорость равномерного и прямолинейного или неравномерного движения! Однако это уже совсем не внутренние опыты!

Может быть, Гулиа ассоциирует первый закон Ньютона с инерцией в связи с названием инерциальных систем отсчёта, которые в соответствии с первым законом Ньютона действительно движутся равномерно и прямолинейно или покоятся? Но тогда Гулиа просто не понимает физической сущности ни инерции, ни первого закона Ньютона. Название таких систем намекает на закон инерции вовсе не потому, что первый закон Ньютона определяет силы инерции. Равномерное и прямолинейное движение инерциальных систем отсчёта не имеет отношения к закону инерции и поэтому просто не мешает исследуемому в них движению, в котором вместе с внешними силами проявляется и их собственная инерция.

В этом смысле инерциальные системы отсчёта являются локальными абсолютными системами отсчёта. Но в реальной действительности инерциальные системы не только не являются полностью абсолютными системами отсчёта, которые современной наукой пока не открыты, они также не имеют никакого отношения к закону инерции, который давно открыт, но смысл его прямо противоположен первому закону Ньютона. Закон инерции связан не с отсутствием сил, а как раз, наоборот, с внешним вмешательством в любое движение при помощи внешних сил и вызываемого ими ускорения (см. гл. 1.1.), поэтому он гораздо ближе ко второму закону Ньютона.

В переводе с латинского, инерция действительно означает – бездеятельность. Поэтому-то, наверное, инерцию часто и ассоциируют с первым законом Ньютона. Но как это ни странно для классической физики, в формулировке первого закона Ньютона отсутствует даже сам термин инерция. А вот в определении инерции прямо указываются признаки первого закона Ньютона. Но это вовсе не значит, что эти признаки определяют закон инерции, т.к. они не соответствуют значению слова инерция. Судите сами:

Вот формулировка сил инерции (закона инерции) самого Ньютона, которую привёл сам же Гулиа в «Удивительной физике» (см. главу 1.1.): «Врожденная сила материи – есть присущая ей способность сопротивления, по которому всякое отдельно взятое тело удерживает свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения».

Видимо вырванное из контекста этого определения упоминание состояния «покоя или равномерного прямолинейного движения», наряду с переводом слова инерция и даёт основание классической физике в лице профессора Гулиа ассоциировать инерцию с первым законом Ньютона. Но в том-то всё и дело, что не вырванный из контекста, а полный смысл определения закона инерции не соответствует определению первого закона Ньютона. Способность удерживать какое-либо состояние проявляется только тогда, когда появляются попытки его изменить при помощи внешней силы и ускорения. Только в этом случае и проявляются силы инерции в виде способности материи сопротивляться выведению тела из состояния первого закона при помощи внешних сил. Именно в этом смысле, для того чтобы обозначить вывод из первого закона Ньютона в формулировке закона инерции и упоминаются признаки первого закона Ньютона.

Упоминание состояния покоя или равномерного прямолинейного движения в этом определении обозначает границу, после которой вступает в силу закон инерции, только и всего. А в самом первом законе Ньютона говорится как раз об отсутствии каких-либо внешних сил и какого-либо сопротивления внешним силам, т.к. в их отсутствие сопротивляться просто нечему. Следовательно, в первом законе Ньютона эта способность сопротивления, как реакция на действие внешних сил или инерция (в противоположном своему переводу толковании), не проявляется.

Таким образом, инерциальные системы отсчёта оправдывают своё название вовсе не тем, что их равномерное и прямолинейное движение или покой это якобы и есть их собственная инерция, а как раз именно тем, что они не проявляют собственную инерцию, т.е. ускорение. Тем самым инерциальные системы отсчёта своей бездеятельностью и не искажают проявление инерции других тел при изменении состояния их движения или покоя и таким образом позволяют изучать движение других тел в чистом неискажённом виде.

Для людей, связанных с техническими вопросами это не является откровением. Для того чтобы измерить параметры какого-либо процесса техническими средствами, необходимо, чтобы эти средства не имели собственного влияния на эти параметры. Например, для того чтобы измерить силу тока в электрической цепи, амперметр не должен иметь никакого отношения к влиянию на ток цепи, чтобы не искажать «амперы» в изучаемой цепи. Но называется этот прибор, как это ни странно для профессора Гулиа, по названию того процесса, который он не должен искажать и который он должен измерять.

Точно так же инерциальная система отсчёта, подчиняющаяся первому закону Ньютона и именно поэтому не имеющая собственного проявления закона инерции, позволяет измерять его проявление в изучаемом движении в неискажённом виде. Но, как и все технические средства измерения, называется она не по собственным качествам, которые как раз исключают собственную инерцию (сопротивление внешним силам), а по названию того процесса, который она позволяет изучать, т.е. по проявлению закона инерции под действием внешних сил в изучаемых с помощью неинерциальных систем движениях.

Трудность здесь состоит в том, что сам термин инерция, обозначающий бездеятельность очень подходит для первого закона Ньютона и для названия собственных качеств бездеятельности или невмешательства в изучаемое движение инерциальных систем отсчёта. Он также неплохо подходит для обозначения фиктивных сил. Поскольку сила переводится как действие, а инерция как бездействие, то силы инерции в переводе следует понимать, как действие бездействия или сила бессилия. Если отбросить абсурдность такого словосочетания, то можно подумать, что речь идёт о фиктивных силах. Но, как показано в главе (1.1.) это только путаница терминологии.

Несмотря на двойственное и неоднозначное отношение к силам инерции, в классической физике никто из представителей официальной науки, тем не менее, не отрицает, что само явление инерции реально существует и даже имеет самую реальную в материальном мире меру в виде массы, которая определяет ускорение материи. Но в первом законе Ньютона никакого ускорения материи нет. Следовательно, первый закон Ньютона это не инерция, которая в контексте закона инерции Ньютона определяет отнюдь не бездействие, а именно действие. Но инерцию массы, как отношение силы к ускорению, определяет второй закон Ньютона!

Судя по тому, что профессор физики Гулиа перевернул всё с ног на голову, он не понимает ни первого закона Ньютона, ни закона инерции, т.е. второго закона Ньютона, ни самого явления инерции! Ведь нельзя же всерьёз думать, что уважаемый профессор физики умышленно издевается над широкой аудиторией, водя всех за нос. Тем не менее, вместо того, чтобы, как популяризатор науки распутать путаницу терминов, не имеющую отношения непосредственно к физике и здравому смыслу, он только усугубляет её путаницей в физике, что заставляет сомневаться в его компетенции!

В своём неприятии равномерности равномерного вращательного движения он может пойти и дальше. Поэтому мы упредим и его потенциально возможные возражения. Закрыв глаза на то, что опыты перестали быть внутренними, Гулиа может возразить, что, оказавшись в другой системе отсчёта, мы по обнаруженному таким образом относительному движению опять же не сможем сказать, какая именно из этих систем движется. Безусловно, это так, это понятно даже сегодняшним школьникам. Но обнаружив деформацию вращающейся системы со стороны, мы так же не сможем сказать, какие причины её вызвали. Ведь даже в равномерно и прямолинейно движущейся системе могут быть деформации за счёт внутренних сил, не мешающих общему состоянию движения системы.

Чтобы установить истину, необходимо не просто оказаться в другой системе отсчёта. Внешние исследования инерциальной системы отсчёта и вращающейся системы отсчёта необходимо проводить в их динамике. А для того чтобы опыты по такому глупому и надуманному поводу, как отождествление первого закона Ньютона с законом инерции в виду их полной бессмысленности не проводить вообще, лучше не смешивать первый закон Ньютона и закон инерции, а просто разобраться с терминами. Тем более что у самого Ньютона формулировка первого закона и формулировка закона инерции – разные и по смыслу, и по содержанию!

Первый закон Ньютона означает только то, что «на нет и суда нет». Ничто (бездеятельность) не может быть признаком чего-то объективно проявляющегося, как, например, вовсе небездеятельная инерция при выведении движения из любого состояния с любым ускорением. Ничто может только не мешать этому процессу, но ничего ни прибавить к нему, ни отнять от него бездеятельность не может. Говоря математическим языком, ничто – это нуль. И этот нуль Гулиа пытается отождествлять с деятельной инерцией!

Ньютон в отличие от Гулиа, наверное, знал, что закон инерции связан не с равномерным движением или покоем, а с изменением любого текущего состояния движения. Правда, в его формулировке говорится только об изменении состояния равномерного и прямолинейного движения или покоя. Но он так же не оговаривал и с каким именно ускорением это должно произойти. Следовательно, после первого малейшего изменения состояния покоя или равномерного движения и продолжения действия ускорения, сопротивление материи не прекратиться и с ростом ускорения будет расти. Но это и означает, что инерция проявляется, в том числе и на фоне уже ускоренного движения.

Таким образом, начало проявления закона инерции, т.е. второго закона Ньютона действительно связано с изменением равномерного движения или покоя. Это в лучшем случае означает, что первый и второй законы Ньютона имеют общую границу. Но лежат они по разные стороны этой границы! Поскольку в природе всё взаимосвязано, граница есть и между вторым и третьим законом Ньютона. Эту границу определяют неинерциальные системы отсчёта, которые связаны каждая со своим ответным телом взаимодействия.

Как и любой человек Гулиа имеет право на своё личное мнение. Но как профессор физики он не имеет права безответственно говорить глупости. Любой человек и даже профессор физики может ошибаться. Однако если профессор физики постоянно ошибается именно в своей области знаний, то не такой уж он и профессор физики. Поэтому физика для него парадоксальная и удивительная. Но гораздо более парадоксально, что он стал профессором этой физики, которой он до сих пор удивляется, а значит, которую он не понимает.

3.4. Вращение тел в небесной механике

Фундаментальные законы природы, если они верны, должны выполняться в любой точке мирового пространства. Поэтому законы вращательного движения должны выполняться и на Земле и в космосе. Однако в небесной механике необходимо учитывать специфику движения тел в поле тяготения. Космические объекты, как правило, тела протяженные. Их в еще большей степени, чем обычные тела нельзя рассматривать как материальные точки. Заменяя реальные физические тела материальными точками можно выявить лишь наиболее общие закономерности, не раскрыв физической сущности явления.

Рис. 3.4.1

На Рис. 3.4.1 графически пояснен физический механизм движения тела по круговой орбите в небесной механике в нашем видении. На нижнюю и верхнюю часть небесного тела действует сила тяготения (Fтн) и (Fтв) соответственно. Очевидно, что нижняя часть тела испытывает большую силу тяготения, чем верхняя за счет разницы расстояний до центра тяготения. Проекции этих сил (Fн) и (Fв) на направление линейной скорости уменьшают инерционную скорость (Vи), причем нижние точки тела будут замедляться сильнее верхних точек. Это эквивалентно появлению закручивающих сил («момента» сил), который приводит к повороту движения тела в сторону центра тяготения и уменьшению угла (ψ) между вектором линейной скорости и касательной к окружности с текущим радиусом.

В результате, радиальное удаление тела от центра тяготения в какой-то момент прекращается, после чего начинается движение тела в сторону центра вращения. При этом под действием ускорения тяготения линейная скорость тела начнет увеличиваться. На нижней орбите в точке (С) величина линейной скорости восстанавливается до исходного значения в точке (А). При этом движение осуществляется вдоль касательной к нижней орбите в точке (С). Далее весь процесс повторяется.

Таким образом, прослеживается полная аналогия механизма движения тел в поле тяготения с механизмом движения по окружности обычных тел, связанных с центром вращения связующим телом. Однако есть и отличия, обусловленные заменой силы упругости связующего тела в жестко связанном вращении, силой тяготения в небесной механике.

Связующее тело в жестко связанном вращении механически ограничивает радиальное движение вращающегося тела. Поэтому процесс преобразования движения по направлению в жестко связанном вращении осуществляется на микроуровне. В небесной механике механических ограничений нет. Сила тяготения очень слаба по сравнению с силой контактного взаимодействия. К тому же сила тяготения с увеличением расстояния убывает. Поэтому она не может погасить инерцию линейного движения тела в прежнем направлении на микроуровне.

По этим причинам орбитальный пробег тела (АВ) и (ВС), а та же радиальные колебания (ВД) внутри цикла формирования вращательного движения в небесной механике должны обнаруживаться на макроуровне. Установим хотя бы оценочный размер этих величин. Если мы внимательно посмотрим на рисунок, то увидим, что (ВД) это есть не что иное, как отклонение от траектории вращательного движения, т.е. девиация вращательного движения.

3.4.1. Физический смысл девиации в физике

Девиа́ция (от лат, deviatio – отклонение). В физике девиация применяется для определения ускорения точки на траектории. Для этого измеряют отклонение и время отклонения точки от своего места на траектории ускоренного движения в предположении, что в какой-то момент точка перестала ускоряться, двигаясь дальше только с достигнутой на этот момент скоростью.

Поскольку в этом случае отклонение начинается при одинаковых скоростях отклоняющейся точки и её места на траектории ускоренного движения, то ускорение точки на траектории определяется по формуле пути, пройденного с ускорением без начальной скорости (а = 2 * S / t2). Однако это не принципиально. Девиацию можно измерить и в случае полной предположительной остановки точки. Но тогда для определения ускорения необходимо знать ещё и начальную скорость образования девиации (а = 2 * (S – Vо) / t2).

Тем не менее, в криволинейном движении ускорение определяют только по девиации, образующейся при одинаковых начальных скоростях отклоняющихся точек. Только в этом случае можно учесть, как ускоренное движение вдоль траектории, так и искривление самой траектории, которое определяется центростремительным ускорением. Однако мало кто задумывался, что за счёт явления инерции девиация в криволинейном движении проявляется и в естественном виде.

Любая криволинейная траектория, образно говоря, задаётся либо связующим телом, либо направляющей. При этом тело не может мгновенно изменить направление движения. Даже если связующее тело или направляющая, создающие для тела внешнюю силу достаточно жёсткие, они лишь постепенно замедляют движение тела в прежнем направлении и постепенно задают новое направление. От жесткости задатчиков зависит только величина отклонения от задания. Однако благодаря явлению инерции это отклонение принципиально существует, даже если оно проявляется на микроуровне.

Это и есть природная девиация криволинейного движения, которая в отличие от академической девиации и преодолевается в природе естественным образом. Полностью остановленное задающей силой в прежнем направлении тело под действием этой же силы и возвращается на направляющую траекторию, которая, таким образом, является лишь усреднённой траекторией движения.

Задающая сила может быть любой величины и любого направления, образуя произвольную траекторию с любой переменной кривизной. Однако сам механизм изменения направления – это есть не что иное, как механизм отражения. В общей кинематике криволинейного движения механизм отражения в точности воспроизводится только в равномерном вращательном движении, в котором изменяется только масштаб механизма отражения по количеству участвующих в нём элементов, взаимодействующих тел.

Следовательно, физической основой естественной природной девиации является механизм отражения или равномерное вращательное движение.

Академическая девиация также имеет под собой ту же самую физическую основу, что и природная девиация. Однако из академической девиации следует, что ускорение любого криволинейного движения всегда направлено внутрь области со стороны вогнутости траектории, что противоречит природной девиации, которая образуется за счёт двустороннего, реверсивного ускоренного движения.

Если девиация – это поведение, входящее в противоречие с принятыми нормами, то академическая девиация грубо нарушает нормы природной девиации, т.е. природные нормы.

Академическая девиация позволяет учитывать, как ускоренное движение вдоль самой траектории, так и искривление траектории, т.е. нормальное ускорение. Однако она не позволяет дифференцировать их друг от друга. Это означает, что найденное через академическую девиацию ускорение криволинейного движения фактически является обобщённой энергетической характеристикой движения, точно так же, как и ускорение равномерного вращательного движения.

Таким образом, применение понятия девиации к определению полного ускорения точки даже произвольного криволинейного движения принципиально сводит его ускорение к центростремительному ускорению равномерного движения точки по вписанной окружности.

В главе 7.3 будет показано, что все классические теоремы о полном ускорении точки на траектории, а таких теорем не менее четырёх, не имеют физического смысла. В реальной действительности полное ускорение точки, хотя и условно академически, но вполне достоверно определяется центростремительным ускорением вписанной окружности; нашей версией теоремы о сложении ускорений Кориолиса, опирающейся на нашу версию явления Кориолиса; а так же естественной природной девиацией, т.к. всё это принципиально одно и то же и совершенно естественно сводится одно к другому.

При этом все классические методы определения ускорения криволинейного движения, в том числе и академическая девиация не позволяют установить, что центростремительное ускорение – это обобщённое академическое ускорение, которое не имеет определённого направления.

С учётом всех ускорений, образующих обобщенное центростремительное ускорение, оно равно нулю. Но величина энергии, характеризующей преобразование движения по направлению не равна нулю. Именно это косвенно через ускорение и показывает центростремительное ускорение.