Физика. Порядок вещей, или Осознание знаний. Книга 2

При неизменной угловой скорости, на примере которой обычно якобы для простоты приводится вывод классической силы Кориолиса, поддерживающая сила вдвое превышает, т.е. полностью компенсирует силу Кеплера. Очевидно, что при разном балансе между силой Кеплера и поддерживающей силой, сила Кориолиса будет иметь разную величину и разную формулу определения. При этом угловая скорость естественно будет отличаться от исходной величины.

Если поддерживающая сила будет меньше силы Кеплера, то при удлинении радиуса тангенциальная скорость будет уменьшаться, как и до поддерживающей силы, а при уменьшении радиуса увеличиваться. В обоих случаях классическая сила Кориолиса, как реакция на поддерживающую силу, исчезнет, т.к. поддерживающая сила будет полностью скомпенсирована силой Кеплера.

Останется только часть силы Кеплера с ускорением в её же направлении и реакция на неё в направлении, обратном классической силе Кориолиса. И только после превышения поддерживающей силы над силой Кеплера появится классическая сила Кориолиса по направлению, но опять же совсем не классическая по величине.

Поскольку угловая скорость переносного вращения в соответствии с «физическим смыслом» классической модели явления Кориолиса поддерживается неизменной, Фейнман определяет силу Кориолиса дифференцированием момента силы Кориолиса в предположении, что переменной величиной является радиус. В классической модели явления Кориолиса с постоянной угловой скоростью больше просто нечего дифференцировать.

Однако переносное движение с изменяющимся радиусом представляет собой совокупность виртуальных вращательных движений разного вида по радиусу, образующих движение по разным окружностям, которые не могут описываться одним общим уравнением динамики вращательного движения! По этой причине поворотное движение с изменяющимся радиусом нельзя дифференцировать не только по радиусу, но и по угловой скорости!

Как отмечалось выше в главе (3.4.2.) и в начале настоящей главы, для того чтобы правильно определить силу Кориолиса необходимо привести поворотное движение, представляющее собой переходную спираль между вращательными движениями разного вида по радиусу, к эквивалентному вращательному движению единого вида, осуществляющемуся в единой системе координат с единым масштабом, т.е. к вращательному движению с постоянным эквивалентным радиусом. Таким эквивалентным вращательным движением является мера пространства вращательного движения – мерный радиан, имеющий размерность (rо = rрад = 1 [мрад или мо]).

Рассмотрим, например, поворотное движение с относительным радиальным движением, направленным во внешнюю сторону от центра вращения.

Введём обозначения.

r1 – начальный радиус поворотного движения

r2 – конечный радиус поворотного движения

ω1 – исходная угловая скорость

ω2 – угловая скорость в отсутствие поддерживающей силы

← – направление силы, за счёт которой происходит уменьшение скорости

→ – направление силы, за счёт которой происходит увеличение скорости

←Fки – истинная сила Кориолиса (это обычная реальная сила, которая замедляет вращение при радиальном движении от центра вращения в отсутствие поддерживающей силы)

Fп→– полная поддерживающая сила, которая равна по величине классической силе Кориолиса

Fпс – статическая (уравновешенная) часть поддерживающей силы

Fпд→ – динамическая часть поддерживающей силы

Vлн – начальная линейная скорость исходного вращательного движения (Vлн = ω1 * r1)

Vли – истинная линейная скорость, которую тело приобретает под действием истинной силы Кориолиса в отсутствие поддерживающей силы (Vли = ω2 * r2)

Vлд – динамическая линейная скорость, которую тело приобретает под воздействием динамической составляющей поддерживающей силы (Vлд = ω1 * r2)

Любая сила определяется не только геометрическим приращением движения материальной точки, но и силовыми затратами на преодоление сил противодействия движению. Следовательно, для определения полного силового напряжения Кориолиса (Fп) необходимо учитывать не только реальную динамику приращения поворотного движения, но и статическое напряжение, связанное с преодолением поддерживающей силой сопротивления истинной силы Кориолиса.

За счёт истинной силы Кориолиса (←Fки) линейная скорость начальная должна уменьшится до истинной линейной скорости (Vли←Vлн←Fки). Чтобы этого не произошло поддерживающая сила (Fп→) должна компенсировать истинную силу Кориолиса, т.е. восстановить (в нашем случае увеличить) истинную линейную скорость до начальной линейной скорости. При этом уравновешивающая часть поддерживающей силы станет её статической составляющей (Fпс→Vли→Vлн). А поскольку в образовании статического уравновешенного напряжения участвуют две силы, то весь уравновешивающий процесс схематично можно выразить следующим образом (Fпс→Vли ↔ Vлн ←Fки).

После уравновешивания истинной силы Кориолиса статической частью поддерживающей силы линейная скорость будет поддерживаться на уровне начальной линейной скорости на каждом текущем радиусе. Однако поскольку радиус у нас непрерывно увеличивается, то угловая скорость по-прежнему будет уменьшаться, хотя и с меньшей интенсивностью. Чтобы этого не произошло необходимо дальнейшее увеличение линейной скорости до значения динамической линейной скорости (Vлд). Часть поддерживающей силы, направленной на это, мы обозначили, как динамическую поддерживающую силу, которая будет увеличивать линейную скорость всей области статического напряжения:

Fпд→ (Fпс→Vли↔Vлн←Fки) →Vлд

Понятно, что сонаправленные составляющие поддерживающей силы и образуют её полную величину или полное напряжение Кориолиса:

Fпд→ + Fпс→ = Fп

Однако в динамике поворотного движения участвует только динамическая составляющая поддерживающей силы (см. гл. 4.3.). Именно реакция на динамическую часть поддерживающей силы и есть сила инерции Кориолиса. Рассчитаем полное напряжение Кориолиса и все его составляющие, т.е. составляющие поддерживающей силы при помощи мерной динамики вращательного движения. Начнём с полной поддерживающей силы или полного силового напряжения Кориолиса.

Абсолютная величина полного силового напряжения Кориолиса с учётом истинной силы Кориолиса определяется изменением линейной скорости от (Vли = ω2 * r2) до (Vлд = ω1 * r2). Зная граничные значения линейной скорости поворотного движения (Vли = ω2 * r2) и (Vлд = ω1 * r2), определим граничные угловые скорости приведённого вращения (ω1рад) и (ω2рад) для этих линейных скоростей, как частное от деления граничных линейных скоростей на меру пространства во вращательном движении (rрад).

ω1рад = ω2 * r2 / rгад

ω2рад = ω1 * r2 / rрад

Отсюда приращение угловой скорости эквивалентного вращательного движения для определения полной силы Кориолиса равно:

Δωрад = ω2 рад – ω1рад = ω1 * r2 / rрад – ω2 * r2 / rрад (4.2.1)

Тогда уравнение динамики вращательного движения, приведённого к общему эквиваленту – мерному радиану примет вид:

Fрад = – Fк = m * (ω2 * r2 – ω1 * r2) / Δt (4.2.2)

где

Fк: сила Кориолиса.

Или в более общем виде:

Fрад = – Fк = (m * rрад * Δωрад) / Δt (4.2.3)

Поскольку

Δωрад / Δt = εрад,

то после дифференцирования выражения (4.2.3) в предположении, что переменной дифференцирования является (Δωо) сила Кориолиса определится также следующим выражением:

Fк = m * rрад* εрад (4.2.4)

Как видно выражение (4.2.3), (4.2.4) отличаются от привычной традиционной формулы для силы Кориолиса. В них отсутствует множитель «2», а также радиальная скорость относительного движения и угловая скорость переносного вращения. Зато присутствует радиус, который нельзя дифференцировать по времени, т.к. по физическому смыслу динамики вращательного движения это величина постоянная.

С учётом меры вращения (rо) выражение (4.2.3) и (4.2.4) можно переписать в символах динамики Ньютона:

Fк = (m * rрад * Δωрад) / Δt = (m * rрад * Δω* r / rрад) / Δt =

= m * Δω *r / Δt = m * ΔV/ Δt = m * ак (4.2.3*)

или

Fк = m * rрад* εрад = m * rрад * ε * r / rрад = m * ε * r =

= m * ак (4.2.4*)

Поскольку мы фактически вели расчёт по приращению линейной скорости переносного вращения, то совершенно очевидно, что ускорение Кориолиса (ак) определяет только приращение линейной скорости по абсолютной величине. Об этом же свидетельствует и мерная вращательная динамика (см. выражения (4.2.3*) и (4.2.4*)). Никакого центростремительного ускорения по вращению радиальной скорости в его составе нет. Приращение угловой скорости во вращательном движении с постоянным радиусом свидетельствует о приращении только линейной скорости вращения.

Таким образом, предложенный подход к динамике вращательного движения через меру вращения – образцовый радиан, имеющий размерность один метр вращения [мрад], позволяет установить истинный смысл явления Кориолиса, который в классической физике настолько глубоко спрятан в различных абстракциях в виде всяческих моментов, что вот уже более 200 лет его никто не может отыскать.

Для того чтобы иметь возможность сравнивать величину ускорения Кориолиса, полученного с помощью размерного образцового радиана с классическим ускорением Кориолиса необходимо привести полученные нами выражения к традиционному классическому виду с использованием соотношений второго закона Кеплера (ω1 / ω2 = r22 / r12).

В традиционной формуле ускорение Кориолиса, как известно, определяется через угловую скорость переносного вращения и радиальную скорость относительного движения. Для приведения полученных выражений к традиционному виду преобразуем выражение (4.2.1) следующим образом:

Δωрад = ω2рад – ω1рад = ω1 * r2 / rрад – ω2 * r2 / rрад =

= (ω1 * r2 – ω2 * r2) / rрад (4.2.5)

Выразим (ω2) через (ω1) в соответствии со вторым законом Кеплера (ω1 / ω2 = r22 / r12):

ω2 = ω1 * r12 / r22

Подставим полученное выражение для (ω2) в (4.2.5):

Δωрад = (ω1 * r22 – ω1 * r12) / (r2 * rрад) = ω1 * (r22 – r12) / (r2 * rрад)

Примем во внимание, что:

r1 = Vr * t

r2 = Vr * (t + Δt)

ω1 = ω

тогда:

Δωрад = Vr2 * ω * (2 * t * Δt + Δt2) / (Vr * (t + Δt) * rрад)

Подставим полученное выражение в (4.2.3):

Fк = (m * rрад* Δωрад) / Δt =

= (m * rрад* Vr2 * ω * (2 * t * Δt + Δt2) / (Vr * (t + Δt) * rрад)) / Δt

Сократим полученное выражение для силы Кориолиса на (Vr * rрад):

Fк = (m * Vr * ω * (2 * t * Δt + Δt2) / (t + Δt)) / Δt

Преобразуем полученное выражение следующим образом:

Fк = (m * Vr * ω * 2 * Δt * (t + Δt / 2) / (t + Δt)) /Δt

После сокращения на (Δt) получим:

Fк = 2 * m * Vr * ω * (t + Δt / 2) / (t + Δt)

Для малых значений (Δt) в некотором приближении можно допустить:

t + Δt / 2 ≈ t + Δt

Тогда после сокращения выражение для полной силы Кориолиса примет вид:

Fк ≈ 2* m * Vr * ω * (t + Δt / 2) / (t + Δt) ≈

≈ 2 * m * Vr * ω (4.2.6)

Мы произвели расчёт в полном диапазоне изменения угловой скорости (Δωрад = ω2 рад – ω1рад), искусственно дождавшись пока истинная сила Кориолиса-Кеплера изменит линейную скорость от (Vлн = ω1 * r1) до (Vли = ω2 * r2). А затем определили закручивающую силу, восстанавливающую начальную линейную скорость (Vлн = ω1 * r1). По-другому определить непроявленные движения просто невозможно. Для того чтобы определить параметры отсутствующего в реальной действительности движения необходимо сначала дать ему проявиться, хотя бы мысленно, что мы и сделали выше. В реальной действительности этого движения нет, т.к. его компенсирует часть поддерживающей силы. При этом образующееся статическое напряжение в составе классической силы Кориолиса естественно не влияет на динамику поворотного движения (см. гл. 4.3.).

Тем не менее, эта статическая часть и приводит к удвоению классической силы Кориолиса, которое в классической физике связывают с центростремительным ускорением вращения вектора радиальной скорости наверное именно потому, что центростремительное ускорение в классической физике не имеет линейного приращения движения. Этот факт хорошо согласуется с классическим значением ускорения Кориолиса, полученным с помощью классической лже динамики вращательного движения. Но в главе (4.1.) показано, что в составе ускорения Кориолиса центростремительного ускорения как такового нет.

Приведённый выше вывод основан на реальной структуре реальных и потенциальных (мысленных) приращений поворотного движения, из которой следует, что силовое напряжение Кориолиса состоит из двух составляющих. Это статическая поддерживающая сила, которая не вызывает геометрического ускорения, т.к. ей противостоит истинная сила Кориолиса и динамическая поддерживающая сила, которая и обеспечивает реальное геометрическое ускорение Кориолиса. Это можно подтвердить, определив значения всех составляющих поддерживающей силы, на основе мерной динамики вращательного движения.

Итак, определим динамическую составляющую поддерживающей силы, реакция на которую и есть классическая сила Кориолиса. Как показано выше динамическая составляющая силы Кориолиса (Fкд→) обеспечивает реальное изменение линейной скорости в диапазоне (Vлн = ω1*r1) → (Vлд = ω1* r2). Граничные угловые скорости приведённого вращения (ω1рад) и (ω2рад) для этих линейных скоростей равны:

ω1рад = ω1 * r1 / rрад

ω2рад = ω1 * r2 / rрад

Тогда:

Δωрад = ω1 * r2 / rрад– ω1 * r1 / rрад

Для простоты подстрочный индекс для динамической силы Кориолиса (Д) опущен.

Подставив приращение угловой скорости поворотного движения для динамической силы Кориолиса в (4.2.3) получим выражение для динамической силы Кориолиса:

Fк = m * rрад * (ω1 * r2 / rрад – ω1 * r1 / rрад) / Δt (4.2.7)

Теперь приведём выражение (4.2.7) к традиционному виду аналогично приведению к традиционному виду полной силы Кориолиса (см. выше).

Выразим граничные радиусы через радиальную скорость:

r1 = Vr * t

r2 = Vr * (t + Δt)

тогда:

Δωрад = ω1 * r2 / rрад – ω1 * r1 / rрад = ω1 * Vr * (t + Δt – t) / rрад =

= ω1 * Vr * Δt / rрад

Поскольку

ω1 = ω,

то выражение для приращения угловой скорости примет вид:

Δωрад = ω * Vr * Δt / rрад

После подстановки найденного приращения угловой скорости (Δωрад) в выражение (4.2.3) и сокращений получим физическое значение динамической силы Кориолиса:

Fпд = m * rрад * ω * Vr * Δt / rрад* Δt = m * Vr * ω (4.2.8)

Как видно из полученного выражения, динамическая поддерживающая сила (4.2.8) сообщает геометрическое, т.е. реальное приращение классическому поворотному движению с неизменной угловой скоростью вдвое меньшее, чем классическое ускорение Кориолиса.

Теперь найдём физическое значение статической составляющей поддерживающей силы, которая компенсирует истинную силу Кориолиса в диапазоне изменения линейной скорости от (Vли = ω2 * r2) до (Vлн = ω1 * r1). Для определения граничных угловых скоростей приведённого вращательного движения для статической составляющей силы Кориолиса разделим граничные линейные скорости (Vли = ω2* r2) и (Vлн = ω1* r1), на радиус образцового вращательного движения.

ω1рад = ω2 * r2 / rрад

ω2рад = ω1 * r1 / rрад

Индекс статической составляющей (с) для простоты опущен.

Приращение угловых скоростей образцового вращательного движения равно:

Δωрад = ω1 * r1 / rрад – ω2 * r2 / rрад

Подставив в (4.2.3) приращение угловой скорости поворотного движения для статической силы Кориолиса, пересчитанное к образцовому радиану, получим выражение для статической силы Кориолиса:

Fк = m * rрад * (ω1 * r1 / rрад– ω2 * r1 / rрад) / Δt (4.2.9)

Теперь приведём выражение (4.2.9) к традиционному виду. Для этого преобразуем приращение угловой скорости с учетом закона сохранения момента импульса или второго закона Кеплера (ω2 = ω1 * r12 / r22) следующим образом:

Δωрад = ω1 * r1 / rрад– ω2 * r2 / rрад =

= ω1 * r1 / rрад – r2 * ω1 * r12 / (r22 * rрад) = ω1 * r1 / rрад – ω1 * r12 / (r2 * rрад) =

= ω1 * (r1 * r2 – r12) / (r2 * rрад) = ω1 * r1 * (r2 – r1) / (r2* rрад)

Но:

r2 – r1 = Δr = Vr * Δt

Тогда

Δωрад = ω1 * r1 * Vr * Δt / (r2 * rрад)

Выразим радиусы (r1) и (r2) через радиальную скорость и учтём, что (ω1 = ω):

r1 = Vr * t

r2 = Vr * (t + Δt)

ω1 = ω

Тогда

Δωрад = ω * Vr2 * t * Δt / (rрад * Vr * (t + Δt)) =

= ω * Vr * t * Δt / (rрад * (t + Δt))

При малом (Δt):

t + Δt ≈ t

Тогда:

Δωрад ≈ ω * Vr * Δt / rрад (4.2.10)

Подставим (4.2.10) в (4.2.9):

Fкс ≈ m * rэ * ω * Vr * Δt / rэ * Δt ≈ m * Vr * ω (4.2.11)

Расчёт истинной силы Кориолиса полностью аналогичен расчёту статической силы Кориолиса, причем, в том же самом диапазоне изменения угловой и линейной скоростей. Естественно, что аналогичным будет и результат расчёта истинной силы Кориолиса. Поэтому мы не будет его приводить подробно, а лишь напомним, что истинная сила Кориолиса направлена противоположно поддерживающей силе, следовательно, она полностью компенсирует статическую составляющую поддерживающей силы.

Таким образом, мы подтвердили нашу версию явления Кориолиса строгим математическим расчётом.

В точности соответствует половине классической силы Кориолиса только динамическая составляющая полного силового напряжения Кориолиса в нашей версии. При приведении значений полной, статической и истинной силы Кориолиса к классическому виду мы использовали условные допущения в малом интервале времени (t + Δt / 2 ≈ t + Δt), (t + Δt ≈ t) и (t + Δt ≈ t) соответственно. Это связано с приведением угловой скорости (ω2) к исходной угловой скорости (ω1 = ω), которое применяется во всех случаях, кроме динамической составляющей.

Физическая причина этого несоответствия на наш взгляд состоит в том, что теоретическое соотношение (V1 * r1 = V2 * r2) выполняется дляпроекций линейной скорости спирали во время поворотного движения. В реальной действительности это соотношение выполняется только для установившихся вращений до и после поворотного движения. Об этом свидетельствует вывод соотношений второго закона Кеплера, приведённый в главе (3.4.3.).

4.3. Ошибки Фейнмана при выводе силы Кориолиса

В представленном выводе динамической силы Кориолиса через меру пространства вращательного движения – мерный радиан (rо) устранены три ошибки классической физики: нарушение закона сохранения истины, неправомерное дифференцирование уравнения по постоянному коэффициенту радиусу и неэквивалентная замена переменных. Эти ошибки и явились причиной появления «двойки» в классической силе и ускорении Кориолиса, не обоснованных ни физически, ни математически.

Вывод Фейнмана состоит всего из двух строчек, в которых одна собственно представляет собой сам ответ, а не вывод, т.е. практически сам вывод занимает всё-таки не более одной строчки.

М = Fк * r = dL / dt = d (m * ω * r2) / dt = 2 * m * ω * r * dr / dt

Fк = M / r = 2 * m * ω * Vr

Причём, как видите, Фейнман почему то обозначил буковкой «к» обычную реальную силу, а вовсе не фиктивную силу инерции, т.к. момент фиктивной, т.е. не существующей силы ничего крутить не может.

Из школьного курса математики известно, что одинаковые члены, содержащиеся в обеих частях уравнения, сокращаются. В соответствии с законом сохранения истины (см. гл. 2.1.) они являются лишними для истинности доказанного физически уравнения. После сокращения одинаковых множителей искомая величина и известные переменные разносятся по разным частям уравнения. В результате уравнение вида (x * y = a * x2 + b * x…) должно быть приведено к виду (y = f (x) = a * x + b…).

Если это просто абстрактное математическое уравнение, то сокращение одинаковых членов не влияет на его истинность. А вот закрепление в уравнении одинаковых множителей, например, в виде введения новых переменных в левой части уравнения вида (y * x = f (x) * x), которое после замены переменных приобретает новый вид (z = f (x)), правомерно только для новой истины, которую ещё надо доказать! При этом истинность уравнения моментов, которое получено абстрактным умножением уравнения второго закона Ньютона на радиус, так никто в классической физике и не доказал. Такой физической величины, как момент силы, в природе просто не существует.

Являясь истинным представителем классической физики, Фейнман естественно не мог допустить сокращения уравнения моментов на радиус, т.к. после этого оно собственно перестало бы быть классическим уравнением моментов. Поэтому ему неизбежно пришлось пойти на нарушение закона сохранения истины, и соответственно на нарушения математических правил решения уравнений.

Это первая ошибка классической физики и Фейнмана при выводе силы и ускорения Кориолиса.

Поскольку, в динамике Ньютона не ускорение зависит от пройденного расстояния, а, наоборот, именно расстояние зависит от ускорения, то в уравнении моментов переменной дифференцирования должно быть не расстояние в виде радиуса, а угловая скорость, которая связана с линейным ускорением выпрямленного окружного движения выражением:

М (ω) = m * r2 * ω (t) / t

Здесь переменная величина – угловая скорость. Однако классическая физика, в лице Фейнмана, пошла на нарушение физического смысла динамики Ньютона, в которой радиус, как постоянный коэффициент перевода угловых перемещений в линейные, не подлежит дифференцированию. При этом Фейнман сделал переменной дифференцирования именно радиус (r (t)):

М (r) = m * ω * r (t) 2 / t

Таким образом, Фейнман фактически заменил переменную дифференцирования (ω (t)) на переменную дифференцирования (r (t)).

Это вторая ошибка классической физики и Фейнмана при выводе силы и ускорения Кориолиса.

В общем случае такая математическая вольность не является глобальной ошибкой для физики природы. Поскольку в природе всё взаимосвязано, то такую замену переменных всегда можно косвенно обосновать и физически, если конечный результат от этого не меняется. Но для этого замена должна быть функционально равноценной, т.е. заменяемые параметры должны оказывать равное влияние на функцию.

Математически равноценная замена обеспечивается заменой равного количества символов, над которыми в уравнении производятся одинаковые математические операции. Фейнмановская замена, в которой одна переменная – угловая скорость заменяется двумя переменными, не равноценна.

Это третья ошибка классической физики и Фейнмана при выводе силы и ускорения Кориолиса.

Поскольку в неравноценной замене Фейнмана одна переменная – угловая скорость (ω) заменяется ровно на две переменных – радиус (r2 = r * r), то результат дифференцирования ровно вдвое превышает результат дифференцирования одной переменной. Это можно показать строго математически, произведя для сравнения равноценную замену.

Заменим одну переменную (ω) одной эквивалентной переменной (rэ). При этом второй радиус в эквивалентном уравнении моментов (М (rэ)) становится независимой переменной, т.е. как бы уже совсем другим радиусом. Для физики это, конечно же, неимоверная глупость, но это не наша глупость. Это глупость Фейнмана и классической физики. Абстрактно математически это выглядит следующим образом:

М (rэ) = Fк (rэ) * r = (m * rэ (t) * ω / t) * r (4.2.12)

где

r: независимая переменная, которая в уравнении (4.2.12) не является переменной дифференцирования

Исходя из этих соображений, решим уравнение (4.2.12). После формального дифференцирования по (rэ) получаем:

Fк (rэ) * r = (m * ω * drэ (t) / dt) * r

Отсюда после сокращения на (r), которое в соответствии с Законом Сохранения Истины и физически, и математически в конечном итоге неизбежно и, которое на этом этапе сделал и сам Фейнман, получим выражение:

Fк (rэ) = m * ω * drэ (t) / dt (4.2.13)

Как видно, даже не нарушив алгоритм вывода Фейнмана, мы получили точно такое же выражение, которое может быть получено после сокращения исходного уравнения динамики вращательного движения на радиус ещё перед дифференцированием.

Таким образом мы строго математически в полном соответствии с общепринятыми математическими правилами решения уравнений показали неправомерность вывода Фейнмана, который приводит к двойному завышению результата.