Почему центробежную силу называют фиктивной? [дубликат]

Я не согласен с тем, что вы чувствуете центробежную силу. Человек в центрифуге реально чувствует свою реакцию на центростремительную силу. Если вы сидите в машине, которая подвергается резкому ускорению, вы «чувствуете», как будто вас отбрасывает назад на сиденье. Никакая сила не толкает вас назад — это просто результат вашей инерции.

Сила является фиктивной, если она не подчиняется трем законам движения Ньютона . Вспомним первый закон Ньютона:

Первый закон гласит, что объект в состоянии покоя будет оставаться в состоянии покоя, а объект в движении останется в движении, если на него не подействуют внешние силы.

Математически это эквивалентно утверждению, что если результирующая сила, действующая на объект, равна нулю, то скорость объекта постоянна.

$$\sum \mathbf F=0\iff \frac{d\mathbf v}{dt}=0$$

Вы можете назвать первый закон «проверкой» для остальных двух законов; если первый закон не выполняется, вы не можете применить два других. Например, во вращающейся системе отсчета инерционная траектория может выглядеть так, как показано на рисунке слева:

Мяч, очевидно, ускоряется, но, похоже, нет ничего, что вызывало бы эту силу. У вас есть два варианта в этой ситуации. Вы можете возразить, что на шар не действует никакая сила (я не вижу ничего, вызывающего силу!), и в этом случае первый закон Ньютона будет нарушен, потому что мяч все еще ускоряется. Вы также можете утверждать, что на мяч действует сила, определяемая выражением$\mathbf F\equiv m\, \mathbf a$. В этом случае третий закон Ньютона был бы нарушен, потому что не существует второй силы, равной и противоположной силе.$\mathbf F$. Это нарушает закон сохранения импульса, и у нас нет другого выбора, кроме как назвать эту силу фиктивной. В любом случае мы приходим к выводу, что наша система отсчета неинерциальна.

Фиктивные силы долгое время преследовали классическую физику, и они были решены только после введения общей теории относительности.

Согласно основной ньютоновской формулировке механики, «реальные» силы представлены парами: сила (действие) и ее реакция, действующая на источник действия. Кроме того, «реальные» силы не зависят от используемой системы отсчета. Фиктивные силы, как центробежная или кориолисова, нарушают оба условия. Вот почему они так называются. Может быть, это не очень удачное название, потому что они имеют конкретные эффекты (хотя интерпретацию этих эффектов можно дать и без использования фиктивных сил, просто описав явление в инерциальной системе отсчета).

Объект на безынерционной системе координат действительно ощущает центробежную силу! Итак, это реальная сила для объекта.

Это на самом деле неправильно. Акселерометр, установленный на объекте, регистрирует только сумму реальных сил. Не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы «почувствовать» какую-либо фиктивную силу. Они существуют только в неинерциальных системах отсчета, и их существование или отсутствие не меняет результат любого физического измерения.

Различие между силами инерции и реальными силами является физическим, а не просто ярлыком, отражающим какой-то человеческий предрассудок.

"Фиктивный" - нагруженный термин. Лучше использовать альтернативные термины «псевдосила» или «сила инерции», которые не подразумевают, что сила не реальна. Какой бы термин ни использовался, ключевым моментом является то, что центробежная сила (а также сила Эйлера и сила Кориолиса) возникает исключительно из-за того, что мы измеряем положение, скорость и ускорение объекта относительно неинерциальной системы отсчета.

Не споря, почему что-то называется чем-то, я просто приведу обоснование для того, чтобы называть что-то, что-то.

Всякий раз, когда сила возникает благодаря нашему выбору неинерциальной системы отсчета, она называется фиктивной силой.

Рассмотрим в качестве примера человека на поднимающемся вверх ускоряющемся лифте. Если человек опирается на свою собственную систему отсчета, то ему следует записать уравнение движения в виде

Именно в этом смысле центробежная сила фиктивна.

В инерциальной системе отсчета пишем

объект ощущает радиально направленную наружу силу

Нет, это не так, и в этом вся причина заблуждения.

Человек может так себя чувствовать, но это то, что происходит в вашей голове и просто означает, что мы не устроены таким образом, чтобы действительно осмысленно обрабатывать действующие силы на биологическом уровне — главным образом потому, что это никогда не происходит в реальной жизни, поэтому у эволюции нет селектора для его развития.

Привяжите веревку к большому камню и закрутите ее вокруг себя (в свободном космосе, где поблизости нет планет, чтобы избежать путаницы с ее гравитацией). Перережьте веревку одним махом. В этот момент на скалу больше не действуют никакие силы. Камень не летит от вас радиально; он улетает по касательной к только что описанному кругу. Не было никакой реальной силы, указывающей в сторону от вас.

Вы можете легко проверить это в своем саду или сидя в кресле, наблюдая за метанием молота в замедленной съемке . Обратите внимание, как спортсмены продолжают вращаться на четверть оборота после отпускания, прежде чем проследить взглядом за летающим объектом.

Пока камень был еще связан, на него действовала ровно одна сила: сила веревки, тянущейся прямо к вам; или с точки зрения скалы, к ее "дну" (т.е. центральная лепестковая сила - от латинского "pedes: пешком", как в "пешеход"). Вращаясь вокруг вас, в каждый момент он имел скорость, касательную к его кругу или орбите; а центростремительная сила — это та, которая заставляет его «падать» на вас, или, выражаясь более нейтрально, постоянно меняет свое направление.

В случае твердого вращающегося объекта веревку заменяют электромагнитные силы, удерживающие частицы вместе. В случае объекта, стоящего на планете, веревку заменяет гравитация. О, и забавный мысленный эксперимент: если бы кто-то выключил гравитацию прямо сейчас, на Земле, и совершенно неупругий объект сидел бы на совершенно неупругом полу (т. локальный вакуум, он как бы начинает лететь параллельно полу, а не к небу.

Иллюзия центробежной силы присуща нам и создается нашим мозгом; например, если вы садитесь в машину и быстро поворачиваете за угол, кажется, что ваша голова движется в сторону машины. Однако это не так. Ваша голова хочет идти прямо вперед; сторона вашего автомобиля движется центростремительно и, таким образом, давит на вашу голову, если вы расслабите мышцы настолько, что ваша голова упрется в борт.

«Объект в неинерциальной системе отсчета действительно чувствует центробежную силу! Значит, это реальная сила для объекта».

Три момента по этому поводу:

1. Это философское наблюдение, а не физическое. Что не означает, что он недействителен. Просто все виды вреда возникают, когда люди путают философские утверждения с физическими утверждениями.
2. В физике сила — это то, что вызывает ускорение. Период. Предмет, человек, кошка, что угодно, вращаясь в каком-либо контейнере вокруг оси, по определению ускоряется радиально внутрь. Таким образом, с точки зрения того, какие причины ускорения присутствуют, сила также направлена ​​радиально внутрь, а радиально направленной наружу силы нет.
3. Но с философской точки зрения я бы сказал, что вы не чувствуете никакой внешней силы. Думаю об этом. Если вы находитесь в машине, резко поворачиваете налево и в конечном итоге прислоняетесь правым боком к дверце машины, чувствуете ли вы какую-либо силу на левом плече, выталкивающую вас наружу? Нет. Единственная сила, которую вы на самом деле чувствуете, находится на вашем правом плече, и она толкает вас внутрь. «Ощущение» внешней силы — это психологическая интерпретация вашего опыта, которая объединяет целый ряд восприятий в этот момент. Единственная сила, которую вы действительно чувствуете, находится внутри.

Так правильно ли называть центробежную силу фикцией только потому, что она не существует в инерциальной системе отсчета?

Фиктивные силы существуют только в неинерциальных системах отсчета.

Реактивная центробежная сила (или как бы вы ее ни называли) реальна и является частью пары сил третьего закона Ньютона. Рассмотрим шайбу, скользящую по поверхности без трения, которая получает центростремительное ускорение по круговой траектории за счет прикрепленной нити, проходящей через отверстие в центре круговой траектории. Струна воздействует на шайбу центростремительной силой, одновременно с которой шайба оказывает реактивную центробежную силу на струну.

Что касается человека в примере с центрифугой, представьте, что человек держит кирпич у своего живота. Человек почувствует реактивную центробежную силу от кирпича, сосуществующую с центростремительной силой, которую человек воздействует на кирпич.

https://en.wikipedia.org/wiki/Реактивная_центробежная_сила

Представьте, что вы стоите в поезде, пол которого сделан изо льда. Поезд стоит на станции. Вы стоите на ледяном полу поезда, ни за что не держась. В поезде сидят другие пассажиры.

Когда поезд отъезжает от станции, вы остаетесь на месте по инерции, потому что лед не оказывает сдвигающей силы на ваши ноги из-за отсутствия трения. Сидящему пассажиру он смотрит на вас, ускоряющегося к задней части поезда, и замечает: «Вау, на этого парня действует огромная сила!» Однако при внимательном рассмотрении пассажир замечает ледяной пол и понимает, что нет такой силы, которая могла бы объяснить ваше ускорение назад. Пассажир заключает, что эта кажущаяся сила является фиктивной и что вместо этого они просто проводят наблюдения из неинерциальной системы отсчета.

Из S может показаться, что для S' время идет медленнее. Удивительно, но из S′ может показаться, что время для S тоже идет медленнее. Теперь, кто прав? Ответ: Оба они правы.
Так правильно ли называть центробежную силу фикцией только потому, что она не существует в инерциальной системе отсчета?

S и S' не расходятся во мнениях относительно того, как быстро проходит время. Они оба согласны с тем, сколько проходит S-время, и оба расходятся во мнениях относительно того, сколько проходит S'-времени. В чем они не согласны, так это в том, что S называет S-время просто «временем», тогда как для S' термин «время» относится к S'-времени. На самом деле это не разногласие по поводу физического явления, такого как время, это просто семантическое разногласие по поводу того, какое физическое явление получает ярлык «время».

Согласно постулатам специальной теории относительности Эйнштейна, ни одна из их систем маркировки не превосходит других. Они оба работают одинаково хорошо.

В случае инерциальной и неинерциальной системы отсчета все же не совсем корректно говорить, что кто-то "правильный". Обе они имеют действительные системы координат, и у них есть физические законы, которые предсказывают явления. Однако неинерциальная физика более сложна.

Поскольку хорошо иметь универсальный набор физических правил, а не разные правила в зависимости от выбранной системы отсчета, и существует объективная основа, на которой мы можем сказать, что инерциальная система, хотя и не обязательно более «правильная», более полезно , имеет смысл сформулировать законы физики в терминах инерциальных систем отсчета, и это означает, что слово «сила» относится к силам, которые существуют в инерциальных системах отсчета, и добавление квалификатора «фиктивный» к явлениям, которые проявляются только в не-инерциальных системах отсчета. инерционные рамки.

Ответ зависит от конкретного значения, которое вкладывается в слово фиктивный :

• С одной стороны, не подлежит сомнению, что центробежная сила (и другие силы, возникающие в неинерциальных системах отсчета) реальна - в том смысле, что она измерима и имеет реальные физические эффекты (в системе отсчета вращающегося объекта)
• С другой стороны, реальные силы характеризуются не только своим действием, но и своей природой — четыре фундаментальные силы (гравитация, электромагнитное взаимодействие, слабое и сильное взаимодействия) отражают свойства объектов, которые независимы (или, по крайней мере, инвариантны в относительно) систем отсчета, которые мы используем. Существование центробежной силы зависит от системы отсчета, даже если рассматривать инерциальные системы отсчета, превосходящие неинерциальные, можно считать вопросом условности/существования. Именно в этом смысле центробежная сила считается фиктивной. (Обратите внимание, что сами реальные силы также могут претерпевать радикальные преобразования при смене системы отсчета, даже между инерциальными системами отсчета.)
• Наконец, позвольте мне отметить, что вся физика является вымыслом, существующим только в человеческом сознании, в отличие от реальной природы, которая ведет себя так, как она себя ведет, не зная, как мы, люди, описываем и интерпретируем ее. В этом смысле то, что мы называем фиктивным или реальным , является делом условности — и мы решили, что инерционные системы отсчета выше (и не будем забывать, что некоторые люди были привлечены к уголовной ответственности инквизицией якобы за распространение этого взгляда).

Примечания:

• Мое последнее замечание об инквизиции основано больше на народных поверьях, чем на фактах. Галилей и Джордано Бруно лихо преследовались инквизицией (первого заставили отречься от своих взглядов, второго сожгли на костре). Однако более глубокий анализ обоих дел показывает, что истинные причины судебного преследования не имели ничего общего с наукой.