Какова физическая природа сил инерции?

[Котофеич]

Какова физическая природа сил инерции?
Фиктивны силы инерции или не фиктивны
Понятие силы инерции. В практических целях для описания движения тел часто удобно использовать неинерциальные системы отсчета (НСО). Неинерциальность проявляется в наличии у тел и частиц дополнительных ускорений, которые не могут быть объяснены силовыми воздействиями со стороны других тел или полей.
http://media.karelia.ru/~mechanics/open ... e5_a.html#Лекция
Широко распространена точка зрения, что
Сила инерции - сила, сообщающая телу дополнительное ускорение, которое не вызвано взаимодействием с другими телами или полями.
http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=11 ... html#intro
Едва ли стоит доказывать, что тема "Силы инерции" - одна из самых трудных в разделе "Механика" общего курса физики. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить один лишь тот факт, что силы инерции, при первом серьезном знакомстве с ними, воспринимаются как весьма непривычные по сравнению с так называемыми "обычными" силами - такими как силы тяготения, упругости, трения. Как помочь студенту-первокурснику в освоении этой темы?
В этом стремлении помочь многое зависит от двух немаловажных обстоятельств: от способа изложения материала и от подбора примеров и задач, поясняющих основные идеи. Под способом изложения здесь подразумевается прежде всего логическая последовательность утверждений, которая имеет своей целью обоснование концепции сил инерции в целом. Логическая стройность изложения материала достигается в том случае, когда вводимые новые понятия приводятся в систему на основе удобных классификационных признаков. В данном случае это относится в первую очередь к самим силам инерции, а точнее - к их разновидностям. Что же касается примеров и задач, их отбор должен быть подчинен фактически той же главной цели: они должны помочь выявить все основные особенности сил инерции, причем непременно в сравнении с "обычными" силами.
Тема "Силы инерции" излагается довольно подробно во многих известных курсах механики (см., например, [Фриш С.Э., 1953, Хайкин С.Э., 1963, Стрелков С.П., 1965, Киттель Ч., 1971, Сивухин Д.В., 1974, Матвеев А.Н., 1986]). Вместе с тем практически ни в одном из известных руководств по этому разделу общего курса физики нет ясного ответа на вопрос: сколько всего имеется разновидностей сил инерции? Исключение составляет, пожалуй, лишь книга [Сивухин Д.В., 1974], где вопрос о разновидностях сил инерции рассматривается на системной основе.
В данной статье предлагается несколько иной, нежели в [Сивухин Д.В., 1974], способ введения сил инерции. Вносимое изменение имеет своей целью сделать формально одинаковой процедуру введения всех без исключения разновидностей сил инерции...

Кто чего думает по этому поводу
Со времен Ньютона принята точка зрения, что нет необходимости правильно понимать
природу физических явлений, а достаточно только правильно описывать соответствующие
явления. Поэтому авторы учебников сами толком не знают реальны эти силы или виртуальны и не могут вразумительно объяснить что же это такое. При переходе к релятивистским
НСО вопрос еще более усложняется.
Title: A New Kind of Uniformly Accelerated Reference Frames
http://search.arxiv.org:8081/paper.jsp? ... +observers

[zbl]

Котофеич писал(а):

Кто чего думает по этому поводу?

С одной стороны, силы инерции не вызваны взаимодействием тел и ичезают в инерциальных системах отсчёта.
С другой стороны, есть явление инерции; и силы инерции -- это оно из проявлений инерции вообще, которая очень даже физична и от системы отсчёта не зависит.
Если два тела взаимодействуют и одно из них движется относительно другого с ускорением, то тут только и стоит говорить об инерции и всём, что с нею связано.

Котофеич писал(а):

Со времен Ньютона принята точка зрения, что нет необходимости правильно понимать природу физических явлений, а достаточно только правильно описывать соответствующие явления.

О, как я солидарен с этим утверждением!

[Котофеич]

Возьмем пока обычную Ньютоновскую механику, где переход от ИСО к НСО формально не приводит к проблемам, потому что в отличие от СТО, любые преобразования ИСО там допустимы. Вы же на поезде катались и знаете, что происходит когда поезд резко тормозит. В учебнике написано что там возникла сила инерции. Но никто толком не знает почему она там возникает. Принято объяснять тем, что при торможении поезд из ИСО стал НСО, т.е. появилось ускорение. Но за окном поезда ничего не разрушается или к примеру шарик на нитке не отклоняется, хотя там тоже все движется ускоренно. Следует иметь в виду, что для того чтобы силы инерции проявили себя как реальные силы, необходимо наличие жестких или не очень жестких связей, между самой НСО и телом на которое действует сила инерции. В противном случае ускорение, как в примере с поездом, будет носить чисто кинематический характер.
На мой взгляд, к объяснению физической природы инерции нужно подходить с чисто геометрических позиций, также как и к гравитации. Легко понять, что геометрия пространства-времени в ускоряющемся поезде, сильно отличается от таковой вне поезда Поле инерции создает резко выраженную анизотропию в направлении противоположном действию
тормозящей силы. Это соответствует простейшей финслеровой геометрии с одним фисически выделенным направлением Метрику соответствующего финслерова пространства F написать несложно. Тогда пюбая материальная точка в поезде будет двигаться по геодезической пространства F.

[zbl]

Котофеич писал(а):

Следует иметь в виду, что для того чтобы силы инерции проявили себя как реальные силы, необходимо наличие жестких или не очень жестких связей, между самой НСО и телом на которое действует сила инерции.

Неточность.
Чтобы наблюдать явление инерции, обязательно нужно иметь взаимодействующие тела.
Чтобы прочувствовать инерцию в поезде, обязательно нужно провзаимодействовать с поездом.
Причём, это равно относится и к тем, кто вне его.

Котофеич писал(а):

На мой взгляд, к объяснению физической природы инерции нужно подходить с чисто геометрических позиций, также как и к гравитации.

Нужно заменить "объяснение" на "описание".
Геометрически можно описать инерцию или гравитацию, но не объяснить их природу.
Теория Эйнштейна не объясняет гравитацию, а лишь даёт способ её описания -- один из бесчисленного множества возможных.

Очень вероятно, что гравитация и инерция имеют схожую природу.
Но принцип эквивалентности -- это только следствие, которое может быть и случайным.
Понять природу инерции очень заманчиво, но искать, думаю, нужно в несколько ином направлении, нежели геометризация инерции.

Инерция -- это, возможно, свойство взаимодейсвия тел, связанное с конечной скоростью передачи сигналов.

[Котофеич]

Для того чтобы выделить "чистую геометрию", соответствующую силам инерции, в простейшем случае, учитывать связи не обязательно. Пусть у нас имеется ньютоновская
НСО, движущаяся относительно некоторой ИСО, в заданном направлении с ускорением w(t).
Какую геометрию, по Вашему, будет идентифицировать наблюдатель находящийся в НСО.
Напомню, что проще всего идентифицировать геометрию мира, можно с помощью геодезических. Что по Вашему, в данном случае, нужно взять в качестве геодезических и какая метрика им будет соответствовать

[zbl]

Котофеич писал(а):

Для того чтобы выделить "чистую геометрию", соответствующую силам инерции, в простейшем случае, учитывать связи не обязательно.

Если рассматривать свободное тело в НСО, то получится только игра ума без всякой связи с природой инерции.
Может быть это и будет полезно в каких-то задачах, но к помниманию природы инерции не приблизит.

Котофеич писал(а):

Какую геометрию, по Вашему, будет идентифицировать наблюдатель находящийся в НСО.

Чтобы что-то идентифицировать, он должен повзаимодействовать с другими телами.
Задание ускоренного движение тела эквивалентно, разумеется, заданию некой геометрии в НСО, связанной с телом.
Но дело в том, что задаём движение тела мы безотносительно его инерции.
Поэтому та геометрия никакой информации о природе инерции содержать не будет.
А вот, еже ли рассмотреть взаимодействие двух тел и геометрию, которой оно описывается, то будет совсем иначе.
Взаимодейсвие тел связано с их инерцией и такая геометрия будет нести некие следы природы инерции.
Я поэтому и настаиваю на рассмотрении как минимум двух взаимодействующих тел, а не одного свободного в НСО.

[Котофеич]

zbl писал(а):

Котофеич писал(а):

Для того чтобы выделить "чистую геометрию", соответствующую силам инерции, в простейшем случае, учитывать связи не обязательно.

Если рассматривать свободное тело в НСО, то получится только игра ума без всякой связи с природой инерции.
Может быть это и будет полезно в каких-то задачах, но к помниманию природы инерции не приблизит.

Почему Вы так в этом уверены Например В ОТО мы же рассматриваем движение
точечной частицы в гравполе, как движение по геодезической некоторого псевдоримана и при
этом не говорим ни о каких силах. Так почему и здесь нельзя использовать для начала такой
же подход

[zbl]

zbl писал(а):

Если рассматривать свободное тело в НСО, то получится только игра ума без всякой связи с природой инерции.

Котофеич писал(а):

Почему Вы так в этом уверены? Например В ОТО мы же рассматриваем движение точечной частицы в гравполе, как движение по геодезической некоторого псевдоримана и при этом не говорим ни о каких силах. Так почему и здесь нельзя использовать для начала такой же подход

Многое зависит от того, что именно мы хотим получить в результате.

Смысл геометризации гравполя в ОТО -- это только принцип эквивалентности как физически содержательное утверждение плюс уравнения Эйнштейна как способ вычислять гравполе.
Гравполе можно описать и потенциалами в плоском 4-пространстве; только не удобно, потому что те потенциалы не будут 4-векторами (в отличие от максвелловского поля).
Наоборот, максвелловское поле можно описать кривой метрикой, а не потенциалами (особенно просто -- для движения заряда во внешнем поле).
Эти два способа описания силовых полей физически совершенно эквивалентны и отличаются лишь тем, что один удобнее или привычнее другого.
О физприроде гравполя в теории Эйнштейна говорит только принцип эквивалентности -- он есть определённое физсвойство гравполей, даже, не сводимое только к эквивалентности тяжёлой и инертной масс.

Очень заманчиво понять физприроду инерции; это даст, например, понимание принципа эквивалентности.
Тогда мы сможем сказать, почему именно гравсилы ускоряют все тела одинаково, а не только констатировать факт.
Но, чтобы того добиться, мало построить ещё одно матописание инерции -- нужны некие чисто физические утверждения (которые можно проверить только экспериментально, а не умозрительно).
Удобное матописание может нас натолкнуть на эти физутверждения -- тем оно и полезно -- но, чтобы то произошло, нужно строить матописание осторожно и неторопясь.
Например; физически ясно, что инерция -- это свойство взаимодействия тел, а не их движения.
Если мы захотели описывать инерцию метрикой в системе покоя тела, то сразу можем сделать глупую ошибку.
Если у нас метрика в данный момент времени будет зависить от ускорения тела -- ошибка; ускорение -- это движение тела, а не взаимодействие.
Та метрика не только от ускорения должна зависеть, но и от силы, которая на тело действует.
Вот тогда будем иметь не только движение, но и взаимодействие.

Мне, всё же, не ясно, что именно мы от того будем иметь.
Что значит некая кривая метрика в системе покоя тела?
Разве, что физзаконы поменяются так, что только как изменение метрики.
Но, всё равно, ещё нужно будет как-то вытащить природу инерции.
Обычный способ в подобных ситуациях -- свести инецию к чему-то более фундаментальному (может статься, что так и гравитация станет лишь другим проявлением этого нечта).
И что бы это могло быть?
Мне кажется, что инерция связана с конечностью скорости передачи взаимодействий.
Чтобы проверить, нужно построить ту чудо-метрику для случая классмеха, а потом наложить условие конечности скрости передачи взаимодействий.
В результате должно обнаружится, как именно из того следует, что ускорение пропорционально силе.
Вот это уже могло бы потянуть на физприроду инерции.

[Шимпанзе]

Цитата:

Обычный способ в подобных ситуациях -- свести инецию к чему-то более фундаментальному

"свести инерцию ...к более фундаментальному..."
Ух ты!


Шимпанзе

[Котофеич]

Шимпанзе писал(а):

"свести инерцию ...к более фундаментальному..."
Ух ты! Шимпанзе

Cчитаете что это нереально

Добавлено спустя 1 час 4 минуты 44 секунды:

Re: Какова физическая природа сил инерции?

zbl писал(а):

Удобное матописание может нас натолкнуть на эти физутверждения -- тем оно и полезно -- но, чтобы то произошло, нужно строить матописание осторожно и неторопясь.
Например; физически ясно, что инерция -- это свойство взаимодействия тел, а не их движения.

1. Насколько я понимаю, инерция это физическое свойство НСО, которое физически, обычно идентифицируется (проявляется) при наличии связей. Инерцию можно описать как свойство пространства-времени в НСО но при этом наличие связей при соответствующей геометризации должно явно учитываться.

zbl писал(а):

Если мы захотели описывать инерцию метрикой в системе покоя тела, то сразу можем сделать глупую ошибку.

2. Конечно можем, если метрику выберем неправильно. Пока будем рассматривать только случай прямолинейного ускоренного движения НСО. В такой НСО всегда есть фисически выделенное направление q=w(t)/|w(t)|. Пространство-время в такой НСО анизотропно в
направлении вектора q. Такое пространство-время легко описать анизотропной метрикой
dS(q) или как еще говорят метрикой (геометрией) финслеровского типа.

zbl писал(а):

Если у нас метрика в данный момент времени будет зависить от ускорения тела -- ошибка; ускорение -- это движение тела, а не взаимодействие..

3. Метрика не будет зависить от ускорения, она зависит от относительной скорости v=v(t) НСО по отношению к произвольной ИСО т.е. dS_нсо=dS(q,v). Иначе как бы мы знали что это НСО, ежели v=v(t) не задано Еще раз подчеркиваю, что инерция напрямую связана именно с ускоренным движение НСО, именно в результате такого ускоренного движения, фисические свойства пространства-времени в НСО будут отличны от
свойств пространства-времени в ИСО, где наблюдается полная изотропия и все направления
там фисически равноправны

zbl писал(а):

Та метрика не только от ускорения должна зависеть, но и от силы, которая на тело действует.. Вот тогда будем иметь не только движение, но и взаимодействие.

zbl писал(а):

Мне, всё же, не ясно, что именно мы от того будем иметь.
Что значит некая кривая метрика в системе покоя тела?
Разве, что физзаконы поменяются так, что только как изменение метрики.
Но, всё равно, ещё нужно будет как-то вытащить природу инерции.
Обычный способ в подобных ситуациях -- свести инецию к чему-то более фундаментальному (может статься, что так и гравитация станет лишь другим проявлением этого нечта).
И что бы это могло быть?

zbl писал(а):

Мне кажется, что инерция связана с конечностью скорости передачи взаимодействий.
Чтобы проверить, нужно построить ту чудо-метрику для случая классмеха, а потом наложить условие конечности скрости передачи взаимодействий.

zbl писал(а):

В результате должно обнаружится, как именно из того следует, что ускорение пропорционально силе.
Вот это уже могло бы потянуть на физприроду инерции.

[Ruslab]

Всё легко объясняется с введением Суперструн, СуперБалалайки и ессно - СуперБалалаечника.
(Вот таков мой взгяд на вещи. Все танцуют яблочко под СуперБалалайку.)

[zbl]

zbl писал(а):

Например; физически ясно, что инерция -- это свойство взаимодействия тел, а не их движения.

Котофеич писал(а):

1. Насколько я понимаю, инерция это физическое свойство НСО, которое физически, обычно идентифицируется (проявляется) при наличии связей. Инерцию можно описать как свойство пространства-времени в НСО но при этом наличие связей при соответствующей геометризации должно явно учитываться.

Связи (ограничения, наложенные на движение тела) -- это матспособ описания взаимодействия тел.
Взаимодействие можно описать и без введения связей (хоть бы тот же принцип освобождения от связей, например).
Инерция же -- это свойство самого взаимодействия тел, а не способа его описания.

Если тело обладает инерцией, то его импульс не сможет измениться мгновенно ни при каком взаимодействии.
Мерой инерции служит инертная масса.

Котофеич писал(а):

Пока будем рассматривать только случай прямолинейного ускоренного движения НСО. В такой НСО всегда есть фисически выделенное направление q=w(t)/|w(t)|. Пространство-время в такой НСО анизотропно в
направлении вектора q. Такое пространство-время легко описать анизотропной метрикой dS(q) или как еще говорят метрикой (геометрией) финслеровского типа.

Одобрямс.
Вопрос только в том, от каких параметров будет зависеть метрика?
Ответ: от ускорения НСО -- раз, от силы, которая действует на тело, к которому мы привязали эту НСО -- два.
От ускорения, потому что иначе мы не сможем отличить НСО от ИСО (так как там ускорение равно нулю).
От силы, потому что нас интересует физприрода инерции, а не ещё один способ описания ускоренного движения.
Финслерова геометрия подходит потому, что векторы ускорения и силы направлены по одной прямой.

Котофеич писал(а):

3. Метрика не будет зависить от ускорения, она зависит от относительной скорости v=v(t) НСО по отношению к произвольной ИСО т.е. dS_нсо=dS(q,v).

Тогда получится, что мы не cможем отличить НСО от ИСО в данный момент времени.
Но ведь силы инерции ощутимы в любой момент времени, значит и геометрия должна отличаться в любой момент.
Поэтому, мне кажется, что метрика должна зависеть именно от ускорения, а не только от скорости.

Котофеич писал(а):

Иначе как бы мы знали что это НСО, ежели v=v(t) не задано?

Факт, что мы сидим в ИСО или НСО не зависит от её скорости или ускорения.
Мы можем и не иметь возможности их измерять, да и как мы узнаем, что система, относительно которой мы измеряем скорость своей системы действительно инерциальна?
Мы сидим в ИСО, если первый закон Ньютона выполняется, и в НСО, если он не выполняется.
Только, пардон, формулировать его нужно не так, как принято в новых школьных учебниках, а как это делали в старых школьных учебниках: Тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения пока и потому, что на него не действуют другие тела, или действие других тел скомпенсировано.
Если формулировать его как факт существования инерциальных систем, то это не даст способа отличить ИСО от НСО.

Котофеич писал(а):

Еще раз подчеркиваю, что инерция напрямую связана именно с ускоренным движение НСО, именно в результате такого ускоренного движения, фисические свойства пространства-времени в НСО будут отличны от
свойств пространства-времени в ИСО, где наблюдается полная изотропия и все направления там фисически равноправны.

Вот, а говорите, что метрика только от скорости зависит, а не от ускорения.

zbl писал(а):

Мне, всё же, не ясно, что именно мы от того будем иметь.
Что значит некая кривая метрика в системе покоя тела?

Подумав немного об этом, пришёл к выводу, что кое-что всё-таки может быть чем-то.

Итак.
Мы к каждому телу зачем-то пришиваем систему отсчёта, в которой оно покоится.
Но ведь, например, масса покоя, собственное время -- это очень даже удобные вещи, особливо в релятивистском случае.
Теперь, движение СО мы описываем как метрику в этой СО.
Другая метрика тут нужна, чтобы физзаконы остались одинаковыми во всех системах отсчёта; например, те же законы Ньютона.
Вопрос: что мы с того будем иметь после уплаты налогов и членских взносов?

А вот что.
Нам явно нужно к каждому телу пришивать выделенную систему отсчёта, метрика в которой несёт как параметры ускорение раз, и силу -- два.
Но это всё равно, что описывать мехсостояние тела не только координатами (скоростями, ускорениями), но ещё и силами.
Нам нужно вместо мехсостояния в виде совокупности координаты и скорости ввести мехсостояние как координату, скорость (воозможно, и ускорение), силу.
В пространстве таких мехсостояний метрика будет чудная (оба ударения).
А двигаться система тел будет по геодезической, которая даст второй закон Ньютона.
Общие свойсва гоометрии такого пространства будут физпринципами, которые определят её конкретный вид.
Например, без учёта конечности скорости передачи взаимодействий мы можем получить любой возможный вид второго закона Ньютона, а с учётом -- только линейный.
Тогда тот факт будет объяснением природы инерции.

[Котофеич]

То что Вас не пугает финслерова метрика, так это странно При упоминании об этой злополучной метрике, физики сразу убегают. Или Вы не физик.

[zbl]

Котофеич писал(а):

То что Вас не пугает финслерова метрика, так это странно При упоминании об этой злополучной метрике, физики сразу убегают. Или Вы не физик?

Я тут недавно ярко высказался о своём отношении к религии (могу ещё ярко продолжить и о своих политических взглядах -- разумеется, в соответствующем разделе).
Выскажусь здесь о том, кто я по профессии, коль вопрос имеет отношение к теме.
Ситуация такова.
У меня диплом физика; я занимался наукой несколько лет с 1999 года.
Но в данный момент я решительно бросил заниматься наукой, ибо преподаю в ВУЗе, а министерская норма учебной нагрузки -- это 900 часов.
Из практики отечественного преподавания (правда, если не менять его обычную манеру; а министерство, похоже, как раз и хочет эту манеру изменить) известно, что предельная учебная нагрузка, при которой уже невозможно заниматься ещё чем-то кроме неё составляет 750 часов (для профессора -- 600).
Мои коллеги пытаются делать вид, что занимаются наукой, имея нагрузку в 850-1200 часов; я же принципиально не делаю даже вида и при возникновении вопроса о моём занятии наукой отвечаю прямо, что не занимаюсь наукой, ибо не имею никакой возможности ею заниматься.
Эта моя позиция находит грячее (правда, негласное) одобрение со стороны коллег и вообще всех, кто сведущь в данной проблеме.
Не имея же возможности заниматься наукой, я не считаю себя в праве называться физиком.
Поэтому я называю себя программистом (так как подрабатываю по этой специальности на 0.44 ставки, являясь к тому же неплохим специалистом в этой области -- проверено экспериментально).
Основной вариант развития событий с мей профессиональной деятельностью состоит в том, что в течение 1-3 лет я планирую окончательно завязать всякое сношение с системой высшего образования этого государства, перейдя в коммерческую фирму (по части программулинга).
Я это к тому так подробно излагаю, что моя ситуация, хотя и экзотична, но тем не менее типична в плане побудительных мотивов в действиях молодых специалистов.

[Котофеич]

Я Вам конечно сочуствую, но мне сложно понять эти проблемы, потому что я с ними никогда не сталкивался. Меня когда то тоже пытались заставить читать лекции, но после первой лекции я сбежал. Сами понимаете, что говорящий кот, читающий лекции это не есть хорошо. Я живу в лесу и там ко мне никто не пристает с подобными глупостями.

Как Вы совершенно правильно заметили, для того чтобы построить теорию полей инерции, необходимо принять какую либо физическую, гипотезу касательно воздействия этих полей
на физические процессы в НСО, чтобы потом можно было проверить это дело экспериментально. Так вот, моя гипотеза состоит в том, что вопреки общепринятому ошибочному мнению, что поля инерции это фикция и наблюдатель находящийся в ИСО ничего такого не обнаружит, наблюдатель находящийся в ИСО на самом деле их обнаружит и
даже очень хорошо. Согласно моей гипотезе он увидит, что часы в НСО которые измеряют там
координатное время, изменили свой ход по отношению к часам в НСО некоторым очень сложным образом, а собственное время этой самой НСО течет в соответствии с формулой
1. $$ \tau_{*}(T)= \int_{0}^{T} \sqrt{v_{0}^{2}(t)-v^{2}(t)}} dt $$
Формула
2. $$ \tau(T)= \int _{0}^{T} \sqrt{1-v^{2}}} dt $$
приведенная в учебниках, соответственно объявляется неправильной и отменяется (соответствующим декретом) поскольку она учитывает только чисто кинематические эффекты
обычной СТО. Формула (2) это частный случай формулы (1) записанной в кулоновской
калибровке, т.е. (2) соответствует конвенциональному выбору
3. $$ {x_{0}(t) =t$$ ,
который абсолютно правильный для ИСО, но заведомо неверный в случае НСО, поскольку при
достаточно больших перегрузках часики могут малость помяться и сбиться с ритма

Таким образом моя гипотеза состоит в том, что поле инерции воздействует на калибровку и
наблюдатель находящийся в ИСО, сможет это дело легко обнаружить.