Forța de inerție (de asemenea forța de inerție ) este un concept cu mai multe valori utilizat în mecanică în relație cu trei mărimi fizice diferite . Una dintre ele – „ forța de inerție d’Alembert ” - este introdusă în cadre de referință inerțiale pentru a obține o posibilitate formală de scriere a ecuațiilor de dinamică sub forma unor ecuații mai simple de statică . Un altul - „ Forța euleriana de inerție” - este utilizat atunci când se consideră mișcarea corpurilor în cadre de referință neinerțiale [1] [2] . În cele din urmă, a treia - „ Forța de inerție newtoniană ” - este contraforța, considerată în legătură cu a treia lege a lui Newton [3] .
Comun tuturor celor trei mărimi este natura lor vectorială și dimensiunea forței . În plus, primele două mărimi sunt unite prin posibilitatea utilizării lor în ecuațiile mișcării, care coincid ca formă cu ecuația celei de-a doua legi a lui Newton [1] [4] [5] , precum și proporționalitatea lor cu masa. a corpurilor [6] [4] [5] .
Termenul în limba rusă „forță de inerție” provine din expresia franceză fr. force d'inertie . Termenul este folosit pentru a descrie trei mărimi fizice vectoriale diferite care au dimensiunea unei forțe:
Definițiile lui „Eulerian”, „Dalamberian” și „Newtonian” au fost propuse de academicianul A. Yu. Ishlinsky [7] [8] . Ele sunt utilizate în literatură, deși nu au primit încă o răspândire pe scară largă. Cine suntem noi în viitor ? vom adera la această terminologie, deoarece ne permite să facem prezentarea mai concisă și mai clară.
Forța de inerție Euler în cazul general constă din mai multe componente de origine diferită, cărora li se dau, de asemenea, denumiri speciale („portabile”, „Coriolis”, etc.). Acest lucru este discutat mai detaliat în secțiunea relevantă de mai jos.
În alte limbi, denumirile folosite pentru forțele de inerție indică mai clar proprietățile lor speciale: în germană . Scheinkraft [9] („imaginar”, „aparent”, „vizibil”, „fals”, „fictiv”), în engleză engleză. pseudo force [10] ("pseudo-force") sau engleză. forță fictivă („forță fictivă”). Mai puțin utilizate în limba engleză sunt denumirile „ d’ Alembert force ” ( în engleză d’Alembert force [11] ) și „inerțial force” ( în engleză inertial force [12] ). În literatura publicată în limba rusă, caracteristici similare sunt folosite și în raport cu forțele Euler și d’Alembert, numind aceste forțe „fictive” [13] , „aparente” [14] , „imaginare” [8] sau „pseudo- forțe” [15] .
În același timp, realitatea forțelor inerțiale este uneori subliniată în literatura de specialitate [16] [17] , opunând sensul acestui termen sensului termenului de fictivitate . În același timp, totuși, diferiți autori pun semnificații diferite acestor cuvinte, iar forțele de inerție se dovedesc a fi reale sau fictive, nu din cauza diferențelor de înțelegere a proprietăților lor de bază, ci în funcție de definițiile alese. Unii autori consideră că această utilizare a terminologiei este nereușită și recomandă pur și simplu evitarea ei în procesul educațional [18] [19] .
Deși discuția despre terminologie nu s-a încheiat încă, dezacordurile existente nu afectează formularea matematică a ecuațiilor de mișcare cu participarea forțelor inerțiale și nu conduc la neînțelegeri atunci când se utilizează ecuațiile în practică.
În mecanica clasică , ideile despre forțe și proprietățile lor se bazează pe legile lui Newton și sunt indisolubil legate de conceptul de „ cadru inerțial de referință ”. Deși numele forțelor de inerție Euler și d'Alembert conțin cuvântul forță , aceste mărimi fizice nu sunt forțe în sensul acceptat în mecanică [20] [15] .
Într-adevăr, mărimea fizică, numită forță, este introdusă în considerare de cea de-a doua lege a lui Newton, în timp ce legea însăși este formulată doar pentru cadrele de referință inerțiale [21] . În consecință, conceptul de forță se dovedește a fi definit doar pentru astfel de cadre de referință [22] .
Ecuația celei de-a doua legi a lui Newton, care leagă accelerația și masa unui punct material cu forța care acționează asupra acestuia , se scrie ca
Din ecuație rezultă direct că numai forțele sunt cauza accelerației corpurilor și invers: acțiunea forțelor necompensate asupra unui corp determină în mod necesar accelerația acestuia.
A treia lege a lui Newton completează și dezvoltă ceea ce s-a spus despre forțe în a doua lege.
Luarea în considerare a conținutului tuturor legilor lui Newton duce la concluzia că forțele la care se face referire în mecanica clasică au proprietăți inalienabile:
În mecanica clasică nu sunt introduse sau utilizate alte forțe [22] [27] . Posibilitatea existenței unor forțe care au apărut independent, fără corpuri care interacționează, nu este permisă de mecanică [26] [28] .
Unii autori folosesc termenul „forță de inerție” pentru a se referi la forța de reacție din a treia lege a lui Newton . Conceptul a fost introdus de Newton în „ Principiile matematice ale filosofiei naturale ” [29] : „Forța înnăscută a materiei este capacitatea sa inerentă de rezistență, conform căreia orice corp individual, din moment ce este lăsat singur, își menține starea de repaus sau mișcare rectilinie uniformă. Din inerția materiei rezultă că fiecare corp este scos cu greu din repaus sau mișcare. Prin urmare, forța înnăscută ar putea fi numită în mod foarte inteligibil forța de inerție. Această forță se manifestă de către corp numai atunci când o altă forță aplicată acestuia produce o schimbare a stării sale. Manifestarea acestei forțe poate fi considerată în două moduri - atât ca rezistență, cât și ca presiune.”, iar termenul propriu-zis „forță de inerție” a fost, potrivit lui Euler , folosit pentru prima dată în acest sens de către Kepler ( [29] ). , cu referire la E. L. Nicolai ).
Pentru a desemna această contraforță (acționând asupra corpului accelerator din partea corpului accelerat [29] ), unii autori propun să se folosească termenul de „forță de inerție newtoniană” pentru a evita confuzia cu forțele fictive folosite în calcule în regim neinerțial. cadre de referinţă şi când se utilizează principiul d'Alembert .
Un ecou al concepțiilor mistice și teologice ale lui Newton [30] este terminologia folosită de el atunci când descrie forța de inerție: „forța înnăscută a materiei”, „rezistența”. Această abordare a descrierii forței newtoniene de inerție, deși păstrată în viața de zi cu zi modernă[ unde? ] , însă, este de nedorit, întrucât evocă asocieri cu o anumită capacitate a corpului de a rezista schimbărilor, de a păstra parametrii mișcării printr-un efort de voință. Maxwell a observat că la fel de bine s-ar putea spune că cafeaua rezistă să devină dulce, deoarece nu devine dulce de la sine, ci numai după adăugarea de zahăr [29] .
Ecuația de mișcare a unui punct material din sistemul de coordonate inerțiale (ISO), care este ecuația celei de-a doua legi a lui Newton
într-un cadru de referință non-inerțial (NFR) capătă patru termeni suplimentari cu dimensiunea forței — așa-numitele „forțe inerțiale” [31] , uneori numite „euleriene”:
Unde:
Patru termeni suplimentari din ecuația mișcării sunt de obicei considerați forțe de inerție separate, care și-au primit propriile nume:
Primele trei forțe, care nu au legătură cu mișcarea unui punct, sunt unite prin termenul „forțe de transfer ale inerției” [32] .
În unele cazuri, este convenabil să folosiți un cadru de referință non-inerțial pentru calcule, de exemplu:
În cadrele de referință non-inerțiale, formulările standard ale legilor lui Newton sunt inaplicabile. Deci, atunci când o mașină accelerează, într-un sistem de coordonate legat de caroseria mașinii, obiectele libere din interior sunt accelerate în absența oricărei forțe aplicate direct asupra lor; iar când corpul se mișcă de-a lungul orbitei, în sistemul de coordonate non-inerțial asociat corpului, corpul este în repaus, deși este afectat de o forță gravitațională dezechilibrată care acționează ca centripet în acel sistem de coordonate inerțial în care rotația orbitală a fost. observat.
Pentru a restabili posibilitatea aplicării în aceste cazuri a formulărilor uzuale ale legilor lui Newton și a ecuațiilor de mișcare asociate acestora , pentru fiecare corp luat în considerare, se dovedește a fi convenabil să se introducă o forță fictivă - forța de inerție - proporțională cu masa acestui corp și mărimea accelerației sistemului de coordonate și opus vectorului acestei accelerații.
Cu ajutorul acestei forțe fictive, devine posibil să descriem pe scurt efectele observate efectiv într-un cadru de referință non-inerțial (într-o mașină care accelerează): „de ce pasagerul apasă pe spătarul scaunului când mașina accelerează? ” - „forța de inerție acționează asupra corpului pasagerului”. Într-un sistem de coordonate inerțiale asociat cu drumul, nu este necesară nicio forță inerțială pentru a explica ceea ce se întâmplă: corpul pasagerului din el accelerează (împreună cu mașina), iar această accelerație este produsă de forța cu care scaunul acționează asupra pasager .
Într -un cadru de referință inerțial (un observator în afara Pământului), un corp situat pe suprafața Pământului experimentează o accelerație centripetă , care coincide ca magnitudine cu accelerația punctelor de pe suprafața Pământului cauzată de rotația sa zilnică . Această accelerație, în conformitate cu a doua lege a lui Newton, este determinată de forța centripetă care acționează asupra corpului (vector verde). Acesta din urmă este alcătuit din forța de atracție gravitațională către centrul Pământului (vector roșu) și forța de reacție a suportului (vector negru) [35] . Astfel, ecuația celei de-a doua legi a lui Newton pentru corpul considerat în cazul unui cadru de referință inerțial are forma sau, care este aceeași, .
Pentru un observator care se rotește cu Pământul, corpul este nemișcat, deși asupra lui acționează exact aceleași forțe ca și în cazul precedent: forța gravitațională și reacția de susținere . Nu există nicio contradicție aici, deoarece într-un cadru de referință non-inerțial, care este Pământul în rotație, este ilegal să se aplice a doua lege a lui Newton în forma sa obișnuită. În același timp, într-un cadru de referință non-inerțial, este posibilă introducerea forțelor inerțiale în considerare. În acest caz, singura forță de inerție este forța centrifugă (vector albastru), egală cu produsul dintre masa corpului și accelerația acesteia în cadrul de referință inerțial, luată cu semnul minus, adică . După introducerea acestei forțe, ecuația de mișcare a corpului dată mai sus se transformă în ecuația de echilibru a corpului, care are forma .
Suma forțelor gravitaționale și a forței centrifuge de inerție se numește forța gravitațională (vector galben) [36] . Având în vedere acest lucru, ultima ecuație poate fi scrisă sub formă și se poate argumenta că acțiunile forței gravitaționale și forța de reacție a suportului se compensează reciproc. De asemenea, observăm că valoarea relativă a forței centrifuge este mică: la ecuator, unde această valoare este maximă, contribuția sa la gravitație este de ~0,3% [37] . În consecință, abaterile vectorilor de la direcția radială sunt de asemenea mici.
În fizica clasică , forțele inerțiale apar în două situații diferite, în funcție de cadrul de referință în care se face observația [29] . Aceasta este forța aplicată conexiunii atunci când este observată într-un cadru de referință inerțial sau forța aplicată corpului în cauză, atunci când este observată într-un cadru de referință non-inerțial. Ambele forțe pot lucra. Excepție este forța Coriolis, care nu funcționează, deoarece este întotdeauna direcționată perpendicular pe vectorul viteză. În același timp, forța Coriolis poate modifica traiectoria corpului și, prin urmare, poate contribui la efectuarea muncii de către alte forțe (cum ar fi forța de frecare). Un exemplu în acest sens este efectul Baer .
În plus, în unele cazuri este recomandabil să împărțiți forța Coriolis în două componente, fiecare dintre ele funcționând. Munca totală produsă de aceste componente este egală cu zero, dar o astfel de reprezentare poate fi utilă în analiza proceselor de redistribuire a energiei în sistemul luat în considerare [38] .
În considerație teoretică, atunci când problema dinamică a mișcării este redusă artificial la problema staticii, se introduce un al treilea tip de forță, denumite forțe d'Alembert, care nu efectuează lucru din cauza imobilității corpurilor asupra cărora aceste forțe. act.
Conform principiului echivalenței forțelor gravitației și inerției , este imposibil la nivel local să se distingă care forță acționează asupra unui corp dat - forța gravitațională sau forța de inerție. În acest sens, în teoria relativității generale nu există cadre de referință inerțiale globale sau chiar finite.
În principiul lui d'Alembert , sunt introduse în considerare forțele de inerție care sunt cu adevărat absente în natură și nu pot fi măsurate de niciun echipament fizic.
Aceste forțe sunt introduse de dragul utilizării unei tehnici matematice artificiale bazate pe aplicarea principiului d'Alembert în formularea lui Lagrange , unde problema mișcării prin introducerea forțelor de inerție este redusă formal la problema echilibrului [29] .