Сергей Тевилин
Импульсная механика рассматривает вопросы взаимодействия материальных тел, движущихся с ускорением и торможением, динамику вращения и кинематику переносного движения в силовых полях СП неинерциальных систем НС.
Основные законы вытекают из эксперимента описанного в [1]. В основе Импульсной механики ИМ (Неинерциальной механики НМ) или механики инерции ускорения и торможения МИУТ лежат 3 закона механики, действующих в неинерциальных системах отсчета НСО:
1. Законы импульсной механики
а) Первый закон - Закон инерции торможения
Скорость изменения импульса Ра = ma м.т. в инерциальном движении равна действующей на нее разности сил инерции F ин и торможения Fт
F ин - F торм = d (ma ) / d t , (1)
где Ра = ma - импульс ускорения м.т., Ра 0.
б) Второй закон - Закон инертного ускорения
Скорость изменения импульса Р а = ma м. т. в ускоренном движении равна действующей на нее разности сил ускорения F у и инертности F инт
F уск - F инт = d (ma ) / d t , (2)
где m -масса м.т. , а - ускорение м.т., Ра 0.
в) Третий закон противодействия внешним силам
F дейст = - F прот = - k Pa (3)
Если, на материальное тело 1 со стороны другого тела 2 действует внешняя сила Fвнеш , то в первом теле возникает сила, противодействующая внешней силе Fпрот = k Pa ,пропорциональная ей и противоположная по направлению, где k -коэффициент противодействия.
(Действие этого закона показано на полученной в опыте осциллограмме: пунктирные линии - действующие силы, сплошные - противодействующие силы, заштрихованная часть - импульс движения Ра).
В классической механике Ньютона коэффициент противодействия k=1. Коэффициент противодействия характеризует среду, в которой движется м.т. На участке ускорения коэффициент характеризует вязкость инертность среды, а на участке торможения ее реактивную инерцию. Подробнее об этом коэффициенте в другой статье этого цикла.
Величину этого коэффицента легко вычислить с помощью осциллограммы в любой момент времени:
- для участка ускорения k инт = Fуск / Fинт при (F уск > Fинт ),
- для участка торможения k ин = Fин / F торм. при (Fин > Fторм).
При движении м.т. коэффициент всегда k > 1.
2. Динамика вращательного движения
Основной закон динамики вращательного движения в традиционной механике формулируется так, что первая производная по времени t от момента импульса L механической системы относительно любой неподвижной точки О равна главному моменту М внешних относительно той же точки О всех внешних сил приложенных к системе:
dL/ dt = M внеш . (4)
Закон динамики вращательного движения аналогичен второму закону неинерциальной импульсной механики d P / dt = F , в котором изменение момента импульса движения dР для тела массой m и ускорением - а по времени dt, заменен на изменение момента импульса вращения dL/dt.
С помощью закона (4) рассматривается регулярная прецессия гироскопа под действием силы тяжести. Симметричным гироскопом называется симметричное твердое тело, быстро вращающееся вокруг оси симметрии, которая может изменять свое направление в пространстве. Гироскоп имеет три степени свободы. Если он закреплен в одной неподвижной точке 0 и совпадает с центром тяжести С гироскопа, то такой гироскоп называется уравновешенным, или астатическим, гироскопом. В противном случае гироскоп называется тяжелым гироскопом. Тяжелый гироскоп под действием момента силы тяжести относительно точки 0 поворачивается вокруг вертикальной оси, описывая коническую поверхность. Такое вращение гироскопа называется регулярной прецессией. Его угловая скорость прецессии имеет вид:
w прец = М тяж / J w собст. (5)
Из выражения видно, что чем больше угловая скорость собственного вращения гироскопа, тем медленнее он прецессирует.
Если точку опоры гироскопа сделать подвижной, поставив гироскоп на плавучую основу, то гироскоп вместе с опорой и центром тяжести гироскопа будет совершать круговые вращения по орбите орбитального радиуса R орб .
Если плавучий гироскоп поставить в свободно падающем лифте, то центр тяжести гироскопа будет перемешаться по винтовой циклоиде. Выражение (5) отображает вращательный цикл тяжелого гироскопа, имеющего собственное w собст и орбитальное вращение wорб , при wпрец = wорб.
w орб = Мвнеш / J w собст , (6)
где J – момент инерции гироскопа, Мвнеш – момент внешних сил действующая на центр тяжести м. т (гироскопа). Под центром тяжести м.т. (гироскопа) можно рассматривать любое другое тело со структурой (НС+СП), например, Землю.
В качестве примера, проведем примерный рассчет действия момента внешних галактических сил на орбитальное вращение Земли вокруг Солнца по галактической орбите.
Из выражения (6) момент внешних сил будет равен
Мвнеш = d L /dt = L з wорб , (7)
где Lз - момент импульса вращения Земли, wорб - орбитальная угловая скорость вращения Земли вокруг Солнца.
Гироскоп с тремя степенями свободы является механическим аналогом вращающейся неинерциальной системы НС без учета силовых полей. Наша вращающаяся Земля является полным аналогом неинерциальной системы с силовыми полями. Собственная угловая скорость вращения Земли составляет 7,3 10 –5 рад/с, а орбитальная скорость вращения меньше собственной в 365 раз. Земля движется по орбите вокруг Солнца благодаря внешнему моменту сил, действующих на не
3. Кинематика движения м.т. в НСО
В относительном движении в системе отсчета, связанной с Землей, необходимо учитывать силы тяготения, центробежные силы, силы Кориолиса и силы инерции вращения
m a отн = F + Fтяг + I цб - I кор (8)
где Iцб и I кор – центробежная и кориолисова силы инерции, F тяг – сила тяготения материальной точки к Земле.
Центробежная сила I цб = m w2 r, где r – радиус вращения материальной точки вокруг оси вращения, например Земли. Сила Кориолиса I кор = 2m [vотн w], где vотн – относительная скорость перемещения точки по радиусу вращения. F – сумма всех остальных сил, действующих на материальную точку, кроме гравитационных.
Если направление действия внешних сил или внешнего момента сил на систему не совпадает с плоскостью вращения, то система начинает прецессировать по орбите. В этом случае получим изменение момента импульса системы или основной закон динамики вращения (4).
Выражение (8) является аналогом 1 и 2-го законов импульсной механики НМ, где силы Кориолиса являются аналогом инертных сил Iкор= Fинрт , F и F тяг – силами ускорения Fуск, Iин – силами инерции Fин. Центробежные силы относятся к силам инерции. Таким образом, выражение относительного движения м.т. в НСО (8) является аналогом 1-го и 2-го законов импульсной механики. В сущности выражение (9) отражает поведение м.т. в среде полевой материи вращающейся Земли или структур типа (НС+СП).
В качестве примера проведем примерный рсчет относительного ускорения в силовом поле Земли. Подставив в выражении (8) F тяг = mM /r2 (сила тяготения из закона всемирного тяготения) и I цб = m [w 2 * r ] ( центробежная сила инерции), получим выражения для переносного ускорения в силовом поле Земли:
m a пер = mM /r2 - m [w 2 r ], (9)
где М- масса Земли, r - расстояние от центра Земли до м.т., w-угловая скорость вращения Земли 7,3 10 -5 рад/с, m-масса м.т.
После подстановки всех величин, получим значение переносного ускорения равное апер = 9,83. Эта величина близка к величине ускорения свободного падения g = 9,8 м/с2.
4. Законы динамики вращательного движения
а) Закон инерции-торможения вращения
Используя принцип аналогий, с учетом первого закона ИМ (инерции-торможения) покажем закон инерции –торможения вращения для вращающихся систем
М ин - Мторм = d L / dt , (10)
где М ин - момента инерции вращения, М торм – момент торможения при вращении.
Из (10) вытекает самое главное свойство Инерции вращающейся материи.
Скорость изменения момента импульса вращения L вращающегося м.т. в инерциальном вращении равна действию на него разности моментов инерции Мин и момента торможения Мторм.
Вращение по инерции будет происходить с торможением, так как на вращающееся тело действует полевая материя, которая будет тормозить вращение до момента начала действия периодического внешнего момента сил.
б) Закон инертного ускорения вращения
Используя принцип аналогий, с учетом 2-го закона ИМ (инертности ускорения) покажем закон инертного ускорения вращения для вращающихся систем
Муск – Минт = dL/dt (11)
Скорость изменения момента импульса вращения L вращающегося м.т. в ускоренном вращении равна действию на него разности моментов ускорения Муск и инертного момента Минт .
в) Закон противодействия моментов сил при вращении
Используя принцип аналогий, с учетом третьего закона противодействия ИМ, покажем в виде закона противодействия моментов сил при вращении м.т.
Мвн = - k L w , (12)
где Мвн - внешний момент действующих сил на вращающуюся систему типа (НС+СП), Мпрот - внутренний момент противодействия вращению равный k Lw, где k-коэффициент противодействия вращению.
Если на вращающееся м.т. 1 со стороны другого м.т. 2 действует момент вращения, то в первом теле возникает момент вращения противоположный по направлению моменту вращения м.т. 2 и пропорциональный ему по величине.
Заключение
Импульсная механика является более широким понятием, чем классическая механика в инерциальных системах отсчета. Импульсная механика или механика инерции ускорения и торможения МИУТ описывает механические процессы перемещения и вращения в условиях действия на тела потоков полевой материи, что является главным отличием неинерциальной полевой механики от механики классической.
Все законы импульсной механики и физики в неинерциальных системах отсчета переходят в динамику вращательного и пульсирующего движения и могут стать началом электродинамики и квантовой механики.
Механика должна быть основой всей физики, а не отдельной ее частью, слабосвязанной с остальными ее частями. Импульсная механика в неинерциальных системах отсчета, надеюсь, займет достойное место в фундаментальной физике.
Список литературы
1. Тевилин С.М. Импульсная механика. М.; Аспирант и соискатель №3, 2003г.
2. Кудрявцев П.С. Исаак Ньютон. М.,Учпедгиз, 1955г. 124с.
3. Макс Джеммер Понятие массы в классической и современной физике. Пер. с англ. М.; Прогресс. 1967, 253с.
4. Н.В. Гулиа Инерция. Наука, М.: 1982,150 с.
5. С.М. Тарг. Курс теоретической механики, М.; “Высшая школа”, 1995 г.