Правило максимальной центробежной силы
© Ерашов В.М.
Прежде чем браться за правило центробежной силы, рассмотрим правило гравитационной силы. Человек на протяжении всей своей жизни наблюдает, как камни падают с горы, как дождь падает с неба к земле, как яблоко падает с яблони и так далее. Все эти предметы под действием силы тяжести при малейшей возможности движутся по направлению действия этой силы, это так естественно, что и говорить здесь не о чем. Можно сказать, любая сила пытается двигать предметы, а не только гравитационная, в направлении своего действия, это тоже оспариванию не подлежит. Дальше следует вспомнить, что центробежная сила всегда направлена от центра вращения к периферии по нормали к траектории вращения. Значит центробежная сила, там , где это ей удается, способна двигать предметы в направлении своего действия. Это тоже не новость, а избитая истина. Только вот, избитая она избитая истина, на мы часто забываем об этой истине. И я о таком случае хочу напомнить. Вот например, гироскоп, который находится на поверхности Земли, на него тоже действует центробежная сила от вращения Земли. И не важно, взведенный (вращающийся0 или не взведенный (не вращающийся) это гироскоп, центробежная сила все равно действует. Мы эту центробежную силу не замечаем, потому что на гироскоп еще действует сила притяжения Земли, которая многократно превалирует над центробежной силой и ее маскирует, но от этого центробежная сила никуда не девается, она существует и действует.
Давай те зададимся вопросом, на центр тяжести вращающегося и не вращающегося гироскопа одинаковая центробежная сила действует или эти силы отличаются?
Чтобы ответить на вопрос, вспомним формулу, по которой центробежная сила вычисляется, это
F = mV2/r
Центр масс и взведенного и не взведенного гироскопа покоится относительно Земли, а относительно звезд движется вместе с поверхностью Земли со скоростью V, как бы центробежная сила должна быть одинаковая, но …
Если мысленно разбить вращающийся гироскоп на элементарные массы и рассмотреть действие центробежной силы на каждую массу в отдельности, то обнаружится интересный эффект. Для обнаружения этого эффекта рассмотрим только две элементарные массы, которые находятся на противоположных концах некого диаметра и в момент рассмотрения этот диаметр перпендикулярен вектору скорости движения поверхности Земли (см. рис 1.)
Запишем формулу центробежной силы для каждой из двух выбранных элементарных масс:
F1 = m (V – Vg)2/r
F2 = m (V + Vg)/r
Интересный получился результат, дело в том, что:
F1 + F2 больше 2F
То есть мы обнаружили, что если вращающийся гироскоп разбить на элементарные ячейки, вычислить для каждой ячейки центробежную силу относительно не оси гироскопа, а относительно оси Земли, то под интегралом мы получим, что вращающийся гироскоп имеет некую добавку к центробежной силе не вращающегося гироскопа. Добавка небольшая, но принципиально важно, что
На вращающийся гироскоп, если вращение гироскопа по направлению совпадает с вращением Земли, относительно Земли действует центробежная сила несколько большая, чем на неподвижный гироскоп. Это превышение будем называть эффектом квадрата.
Так назвали потому, что именно квадрат скорости, в отличие от первой степени, дает прибавку.
Любопытно, что если гироскоп и Земля вращаются в разных направлениях, то центробежная сила действующая на гироскоп, будет меньше, чем на покоящийся.
Любое теоретическое открытие хорошо бы проверить на практике.
Пожалуйста! Атмосферный циклон и антициклон. В циклоне направление вращения воздуха совпадает с вращением Земли, центробежная сила этот воздух отбрасывает вверх (поднимает). В антициклоне же воздух опускается, потому что на него действует центробежная сила меньшая, чем на неподвижный.
До нас предполагали, что эффект циклона и антициклона связан с ускорением Кориолиса, то есть с вращением Земли, но конкретный механизм действия был не известен. Мы же этот механизм открыли.
Наше открытие, возможно, найдет применение при запуске искусственных спутников Земли. Дело в том, что спутники, закрученные по направлению вращения Земли, будут более устойчиво чувствовать себя на орбите и чуть медленнее терять высоту из-за сопротивления атмосферы.
Далее, наше открытие многое объясняет в поведении гироскопов. Например, широко известен такой эксперимент с гироскопом. На поворотный стол устанавливается раскрученный гироскоп, способный свободно менять положение оси вращения. Дальше поступают следующим образом, начинают вращать поворотный стол. Если же вращение гироскопа и вращение стола совпадают по направлению, то гироскоп вращается устойчиво, если же гироскоп и стол имеют противоположное вращение, то гироскоп опрокидывается, то есть ось вращения гироскопа разворачивается на 180 градусов. Изменение направления вращения стола непременно приводит к опрокидыванию гироскопа на 180 градусов. Наше открытие подводит теоретическую базу под данный эксперимент. Раньше было неясно, почему гироскоп себя так ведет.
Устройство Солнечной системы тоже подтверждает наше открытие. Подавляющее большинство планет и их спутников вращаются в одном направлении. Есть небольшое исключение, например, Венера имеет ретроградное вращение вокруг своей оси. Значит нужно искать причину, что заставило ее это сделать, может какая-то космическая катастрофа. Есть еще пара ретроградных спутников у планет, с ними тоже нужно разбираться отдельно.
Общее же правило для всех вращающихся тел гласит:
Все вращающиеся физические тела (гироскопы) стремятся к устойчивому вращению, которое достигается при максимальной( из возможных) центробежной силе.
По другому можно сказать следующее:
Тела (гироскопы), вращающиеся одновременно вокруг двух осей всегда стремятся увеличить момент инерции относительно первой оси вращения.
Например, вращающийся китайский волчек всегда стремится встать на попа, то есть увеличить момент инерции относительно центра вращения Земли. Ранее считалось, что встать на попа его заставляет сила трения в опоре. Это не совсем так, без действия нашего закона, никакое трение не заставило бы китайский волчек встать на попа.
От части действие нашего правила способствует любому гироскопу сохранять устойчивое положение первой оси вращения относительно второй оси вращения, но здесь действуют и другие законы (рассмотрение их выходит за рамки данной статьи). Главное, выведенное нами теоретическое правило не противоречит ни одному имеющемуся эксперименту, а подтверждается множеством имеющихся. По другому и не могло и быть, мы законы логики при написании данной статьи соблюдали неукоснительно.
Отрадно, что отныне теория гироскопов поднялась еще на одну ступеньку по лестнице прогресса.
-- 16.03.2019, 08:59 --Прошу прощения у участников форума, толи я недостаточно освоил этот форум, толи здесь отсутствует возможность подкорректировать формулы.
Хотя формулы очень простые и широко известные, поэтому многие и так поймут как правильно читать изображенные формулы.
Если же у кого-то с этим трудности, то работа опубликована еще и на воруме "Вся физика", там формулы имеют естественный вид.
; общая бредоподобность изложения.