Рассмотрение понятий классической динамики вращательного движения принципиально не соответствующих общему физическому смыслу явлений и истинной динамике вращения. Характеристика прецессии гироскопа. Исследование модели взаимодействий и явления инерции.
Аннотация к работе
В описании механизма прецессии мы будем пользоваться понятиями классической динамики вращательного движения знакомой и привычной для людей, увлекающихся физикой. Здесь и далее мы будем отдельно оговаривать только те случаи, в которых понятия классической динамики вращательного движения принципиально не соответствуют общему физическому смыслу явлений и истинной динамике вращения.
Гироскопом называется быстровращающееся симметричное твердое тело, ось вращения которого может изменять свое направление в пространстве. Рассмотрим, как образуется прецессия.
Пусть к оси (у) гироскопа (см. Рис. 4.5.1) постоянно приложены постоянные силы (F1) и (F2), создающие момент (M12), перпендикулярный к плоскости, в которой лежат силы. Под действием момента (M12) гироскоп начинает поворачиваться относительно оси (х) с какой-то угловой скоростью (?"). При этом точки (С) и (D) с массами (dm) оказываются движущимися в радиальном направлении вращения относительно оси (х), образующегося под действием момента (M12). Следовательно, на них начинают действовать силы Кориолиса (FC = dm[VC, ?"]) и (-FD = dm[VD, ?"]). Момент сил Кориолиса (MCD) и вызывает прецессию гироскопа, т.е. вращение гироскопа относительно оси (z) с угловой скоростью (?).
Рис..1
Начавшаяся относительно оси (z) прецессия является в свою очередь переносным вращением для точек (А) и (В) с такими же массами (dm) (см. Рис. 4.5.2). Следовательно, на них аналогично точкам (С) и (D) начинают действовать силы Кориолиса (-FA = dm[VA, ?]) и (FB = dm[VB, ?"]), которые образуют момент (MAB), стремящийся уравновесить внешний момент (M12).
Рис. 2
Таким образом, прецессирующая под действием момента (MCD) ось гироскопа (у) относительно оси (z) на начальном этапе образования прецессии одновременно вращается относительно оси (х), образуя сложное движение оси гироскопа (у). Это начало нутации гироскопа (см. Рис. 4.5.3).
По определению классической физики нутация - это движение оси симметрии вращающегося тела вокруг неподвижного в пространстве вектора полного момента импульса. Однако нутация гироскопа не соответствуют этому определению. Как следует из приведенного выше описания механизма начала образования прецессии полный момент импульса тела, вращающегося в нескольких плоскостях, не может оставаться неподвижным. Момент импульса тела прецессирует вместе с телом, что подтверждается наблюдениями реального движения гироскопа (см. Рис. 4.5.3).
Рис..3
Прецессия продолжается до тех пор, пока на ось гироскопа действуют внешние силы, как, например, в нашем случае силы (F1) и (F2). При этом как видно на (Рис. 4.5.3) нутация постепенно затухает, и гироскоп переходит в режим установившейся прецессии, при которой, как утверждает современная физика (|MAB| = |M12|). Но само по себе равенство моментов (MAB) и (M12) в интерпретации классической физики не объясняет ни механизма образования нутаций, ни механизма самой прецессии.
В соответствии с третьим законом Ньютона противодействующие силы равны всегда, а не только в установившейся прецессии! Тем не менее, как следует из приведенного выше описания, на начальном этапе прецессии ось гироскопа (у) оказалась в точке (Н), в которой так же соблюдается третий закон Ньютона, т.е. (|MAB| = |M12|). За счет чего же тогда точка (Н) перемещается вниз, затем возвращается обратно и далее следует по траектории прецессии, изображенной на (Рис. 4.5.3), если силы действия и противодействия всегда равны?
Классическая физика объясняет движение точки (Н) вниз тем, что на начальном этапе момент (M12) якобы превышает момент сил Кориолиса (MAB) по абсолютной величине. Но скорость прецессии постепенно возрастает, с ней возрастает и момент (MAB), который в какой-то момент времени в какой-то точке (Н) якобы становится больше, чем (M12). При этом начинается обратное движение оси гироскопа вверх по рисунку. В верхней точке все происходит наоборот. В результате образуется нутация, которая постепенно затухает, причем якобы исключительно только за счет сил трения. И далее якобы осуществляется установившаяся прецессия без нутаций (http://iatephysics.narod.ru/gyroscope/gyrosc_r.htm).
Но как отмечалось выше, это противоречит третьему закону Ньютона. Как бы ни возрастала сила действия, сила противодействия практически мгновенно отвечает ей точно такой же величиной. Пока мы не разрешим это противоречие, мы не сможем двигаться дальше, поэтому остановимся на этом моменте подробнее. Поскольку напрямую это к теме не относится, то мы коснемся этого вопроса кратко.
В соответствии с классической моделью неуравновешенного движения, силы инерции, к которым классическая физика относит и силы Кориолиса, являются фиктивными и по этой причине не оказывают реального сопротивления движению под действием активной внешней силы. Это хоть как-то объясняет движение оси под действием активной неуравновешенной силы (F2). Но этого не достаточно.