Таджикский технический Университет имени академика М.С.Осими

"ПОКАЖИТЕ МНЕ ДЕЙСТВУЮЩИЕ СИЛЫ, И Я СКАЖУ,

В КАКОМ СОСТОЯНИИ НАХОДИТСЯ ТЕЛО".

Н. ТУЙЧИЕВ

Все тела (модели в механике: материальная точка, система материальных точек, твердое тело, сплошная среда, так принято называть тела в механике) в зависимости от действующих сил могут находиться в состоянии относительного покоя или двигаться поступательно, либо вращаться, либо скользить или летать, плавать и т.д., поэтому силу можно называть великим дирижёром природы! Давайте посмотрим какие силы существуют в природе. В макромире – все тела, сила тяготения (сила тяжести Земли, Солнца, Луны и т.д.), силы трения (трение скольжения и  трение качения), силы инерции (центробежные, врашательные силы инерции и сила Кориолиса), силы сопротивления среды, сила Архимеда в жидкостях, сила давления воды, сила давления газов, силы упругости тел, сила натяжения проводов и других гибких тел.

В микромире - электромагнитные силы, сила Кулона, сила Ампера, сила Лоренца, молекулярные, атомные, ядерные силы.

Сила характеризуется направлением, точкой приложения и величиной. Среди перечисленных выше сил есть силы – дальнодействующие (например, гравитационные и электромагнитные силы) и близкодействующие (например, сила трения, сила упругости, сила Архимеда, молекулярные, атомные и ядерные силы). Силы бывают распределенные и сосредоточенные. В макромире мы больше всего имеем дело с распределенными силами, например, это вес частей механизмов и машин, сопротивление воздуха, воды и т.п. Однако при решении практических задач распределенные силы, суммируя, заменяются на сосредоточенные силы. Есть силы, которые имеют точку приложения, и силы, которые не имеют такую точку. Например, сила действия молотка к гвоздю, сила тяги паровоза к вагонам поезда и сила удара кием шара бильярда имеют точку приложения. А вот сила сопротивления воздуха, воды, сила тяготения, вес тела, силы инерции и электромагнитные силы не имеют точку приложения.

Если на тело действует множество сил, то говорят, что на тело действует система сил. На практике мы имеем дело с четырьмя системами сил:

1. Сходящаяся система сил;
2. Параллельная система сил;
3. Плоская система сил;
4. Пространственная система сил.

Если система сил заменяется одной силой, то ее называют равнодействующий. Когда равнодействующий система сил равна нулю, то выполняется первый закон Ньютона, если она не равна нулю, то выполняется второй закон Ньютона.

Силы, действующие на тело, принято разделять на внешнюю и внутреннюю силу. Источник внешних сил находится вне тела. Например, вес тела, силы сопротивления движению, сила трения являются примерами внешних сил. Сила упругости, сила Архимеда, сила реакции различных опор, мускульные силы человека, а также атомные, ядерные силы относятся к внутренним силам. Величина и направление внутренних сил зависит от величины и направления внешних сил.

Есть силы, которые направлены все время в одну сторону, и есть силы, направленные в разные стороны. Например, сила тяжести, сила всемирного тяготения, сила трения скольжения, сила Архимеда направлены в одну сторону, а вот силы давления воды, газов, воздуха, сила тяги лошади к телеги направлены в разные стороны.

Среди вышеперечисленных сил много споров вызывает происхождение силы инерции. Известны несколько ожесточённых дискуссий в среде специалистов по механике по поводу того, следует ли считать силы инерции реальными силами или же относить их к воображаемым или фиктивным. Последняя такая дискуссия прошла в Институте проблем механики АН СССР между сторонниками академика А. Ю. Ишлинского (он считал, что силы инерции фиктивны) и сторонниками академика Л. И. Седова (он считал, что силы инерции реальны) на Всесоюзном совещании «Основы классической механики и их роль в преподавании механики». Выдающиеся учёные разругались и разошлись, не решив окончательно проблему. Поэтому, хотел бы по этому поводу высказать свои соображения. В силу того, что источником этих сил не является конкретное тело, по этой причине их считают фиктивными или псевдосилами, и что таких сил не существует в природе. В то время как источником реальных сил является конкретное тело. Однако на практике силы инерции проявляют себя как внешние - реальные силы. Если силу трактовать как причину ускорения тела, то сила инерции ничем не хуже других сил. Эти силы, рассматриваются в теоретической механике при изучении динамики относительного движения материальной точки (движение материальной точки в неинерциальной система отсчета) – это, так называемые переносная и кориолисовая сила инерции. Между реальными силами и силами инерции есть разница и что-то общее. Рассмотрим их различие.

1. Силы инерции направлены против ускорения материальной точки.
2. Они не имеют точку приложения.
3. Они не имеют материального происхождения т.е. они не имеют ничего общего с третьим законом Ньютона.
4. Эти силы проявляют себя только в неинерциальных системах отчета.

В тоже время они проявляют себя как реальные силы.

1. Силы инерции пропорциональны массу тела.
2. Они имеют направление и величину, которые можно измерить (например, с помощью динамометра).
3. Действуя на материальную точку (тело) сообщают ему ускорение. Например, мы чувствуем действия переносной силы инерции, когда едим в транспорте, который движется не равномерно. Ну как скажете, что их нет?!!!

Когда материальная точка или твердое тело движется криволинейно относительно неинерциальной системе отчета, тогда переносную силу инерции надо разделить на две взаимно перпендикулярные составляющие – центробежную силу инерции где V_e - переносная скорость; ρ - радиус кривизны движения материальной точки и вращательную силу инерции . Если неинерциалная система координат связана с вращающимся телом, тогда на материальную точку совершающей относительное движение, действует допольнительно сила инерции Кориолиса, величина которой определяется по формуле: где ω - угловая скорость тела (например, для Земли это суточная угловая скорость), V_r - относительная скорость материальной точки, α - это угол между векторами . 

Известно, что под действием силы Кориолиса большие реки, протекающие в северной полушарии Земли с юга на север, смывают свой правый берег – это, так называемый закон Бэра. Реки, которые протекают в южном полушарии также смывают свой правый берег. Мне вспоминается случай, когда по республиканскому телевидению выступал мужчина из Раштского района и с недоумением спрашивал, почему река Сурхоб смывает все время свой правый берег и создаёт нам ежегодно большие проблемы? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, надо знать широту места протекания реки (для Рашта с.ш. ), объём воды V, протекающей за единицу времени (в секунду) из поперечного сечения реки (для реки Сурхоб во время польноводя ), скорость реки V_r (для реки Сурхоба приблизительно V_r = 3м/с, что соответствует 10,8 км/час ) и угловую скорость вращения Земли, то можно оценить величину сила инерции Кориолиса реки, действующей на правый берег по формуле:

или равной 81кг. Это есть одна из главных причин (дополнительно надо учесть рельеф местности и ряд др.причин) смывания рекой своего правого берега в результате вращения Земли вокруг своей оси, так как система отчета связанной с землёй, является неинерциальной.

ВЫВОД. Независимо от того как мы будем называть силу инерции (формальной, прыдуманной, воображаемой, нереальной и т.п.) эти силы реально действуют на материальную точку, и эти силы надо учесть при движении различных тел относительно неинерциальной системы отсчёта. Например, по этой причине во время пуска космических ракет им дают начальную скорость, направленную в сторону линейной скорости вращения Земли.

Доцент кафедры теоретической механики

и сопротивления материалов

Туйчиев Нозиржон