3Проблема реальности сил инерции и инерциальной системы отсчёта в физических системах
Син Гуйян
магистр, кафедра «Теоретическая физика», Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, bwmsu23@gmail.com
Проблема реальности сил инерции и инерциальной системы отсчета является дискуссионной и противоречивой темой в академической среде. Актуальность исследования заключается в том, что силы инерции возникают в момент времени, когда тела движутся в инерциальных системах отсчета, в тоже время измерение и их оценка, как реальных сил является недоступной ни инструментально, ни визуально, поэтому необходим теоретический консенсус мнений о природе и реальности сил инерции. Объект исследования - геометрическая модель мира, включающая в себя различные системы отсчёта. Предмет исследования - инер-циальные системы отсчёта, включающие движение тел. Цель исследования - найти консенсус мнений о природе и реальности сил инерции. В исследовании сделан вывод о том, что инерци-альная система отсчета определяются как системы мысленного опыта, необходимые для последующего моделирования законов физического мира, в котором выполняются законы Ньютона и теории относительности. Реальность сил инерции при этом определяется мысленным и сознательным усилием наблюдателя с позиции последствий движения тел в инерциальной системе отсчёта, но не реальной и объективной природе этих сил. Ключевые слова: сила тяготения, теория поля, теория относительности, система отсчёта, изотропность пространство, движение тел.
Введение
Проблема реальности сил инерции и инерциальной системы отсчета одна из основных дискуссионных тем в физике, в которой различные полярные точки зрения так и не находят консенсуса в разрешении вопроса о реальности данных сил. Силы инерции, возникают при движении тел в инерциальных системах отсчета, при этом в зависимости от характера движения различаются и силы инерции. Инерциальную систему отсчета можно определить как геометрическую модель мира, в которой все силы взаимно компенсированы и согласно принципу относительности все законы физики имеют не противоречивы. Одна из основных действительных проблем, связанных с силами инерции заключается в том, что они одновременно проявляя себя как реальные силы, возникающие в результате движения тел и действующих на материальный объект, в тоже время не идентифицируются как реальные силы воздействия в инерциальной системе отсчёта, рас-сматриваясь как проявление взаимодействия тел в инерциальной системы отсчета, в которой объект находится. Данная проблематика вызывает непрекращающуюся дискуссию, так как силы инерции могут оказывать воздействие на тело, но при этом сама сила не идентифицируется визуальными и инструментальными методами и не может быть измерена независимо от движения объекта. Таким образом, теоретическая значимость исследования состоит в том, что предпринята попыткам нахождения консенсуса различных точек зрения и объективируется вывод о реальности сил инерции.
Основная часть
В рассматриваемой проблематике важно понимать, что законы физики, включая законы Ньютона, формулируются в инерциальной системе отсчета, при этом в геометрической модели мира в которой объективируется нахождение реальных физических систем, особенно в случае перемещения тел на высоких скоростях или наличия внешних сил, инерциальная система отсчета может быть рассмотрена как неинерци-альная (зависит от точки отсчёта и наблюдателя): «Теперь вновь вернемся к вопросу о "необычности" сил инерции. У сил инерции есть особенности, отличающие их от так называемых "обычных" сил. В частности, к ним неприменим третий закон Ньютона, поскольку силы инерции не силы взаимодействия, а значит, нельзя указать тело, со стороны которого они действуют» [1, с. 13].
Другая проблема связана с определением самого понятия инерциальной системы отсчета, фак-
О *
О X
о
3 *
8)
с т
"С О
Т Ф
а г
о
Т 09 8)
тически инерциальная система отсчета относительна в своей объективности и является в большей степени абстрактным конструктом: «Инерциальная система отсчёта, исходя из предыдущего рассуждения, это также идеальная модель. Академик Л. И. Седов пишет следующее: «<Следовательно, в точном математическом и физическом смыслах понятие об инерциальной системе отсчёта является идеальным и связанным с идеальными, мысленными опытами»» [2, с. 93] и в действительном мире также всегда существуют внешние силы воздействия, которые могут влиять на движение объекта в конкретном пространстве рассматриваемой инерциальной системы отсчёта, что создаёт дополнительные трудности для точной и объективной оценки и измерения сил инерции и определения их реального происхождения: «Таким образом, силы инерции не нуждаются в особом статусе. Тождество гравитационных и инерциальных сил утверждается в механике Ньютона, но для силы инерции (внешней) не надо искать равную по величине и противоположно направленную силу внутри изучаемой системы тел» [3].
Из физики известно, что инерциальная система такая система отсчета, в которой применяется первый закон Ньютона при этом в инерциальной системе отсчета все элементы находятся в движении (равномерном и прямолинейном) или покое, если углубиться в физику пространства и теоретическую механику, то ключевыми характеристиками пространства в инерциальной системе отсчета являются изотропность и однородность пространства (относительно движения в однородном поле) и времени (относительно скорости) - рисунок 1.
* Т
т, ё
* N
\ЧЧЧЧЧЧЧЧ\ЧЧЧ\\ЧЧЧ\ЧЧЧ\ЧЧЧ\ЧЧЧЧ\1
(О
сч
0 сч
да
01
Рисунок 1 Силы инерции и системы отсчёта Источник: составлено автором по данным https://studШe.net/preview/7254966/page:29/
Неинерциальная система отсчета характеризуется относительным движением (ускорением) по отношению к инерциальной системе отсчета. Основное отличие от инерциальной системы отсчета заключается в том, что силы, действующие на элементы системы (систему тел), являются внешними и система не замкнута: «Фундаментальную эвристическую роль при создании общей теории относительности сыграл принцип эквивалентности Эйнштейна: все физические явления в поле тяготения происходят совершенно так же, как и в со-
ответствующем поле сил инерции, если напряженности обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают, а прочие начальные условия для рассматриваемых тел одинаковы. Иначе говоря, всякое гравитационное поле в малой области пространства эквивалентно некоторой неинерциальной системе отсчёта» [4, с. 224].
Согласно первому закону Ньютона, тело, на которое не действуют внешние силы или на которое действуют силы взаимно компенсирующие друг друга по направлению и величине, будет находиться в состоянии покоя или двигаться равномерно прямолинейно, именно из подобных свойств инер-циальной системы отсчёта возникает инерция, как сила. Когда на тело в инерциальной системе отсчёта действуют различные внешние силы, тело будет сопротивляется изменению своего состояния в системе отсчёта и если тело находится в покое, оно будет стремиться сохранить это состояние, а если тело движется равномерно прямолинейно, оно будет стремиться сохранить свою скорость и направление движения. Таким образом, сила инерции является реакцией тела на внешние стимулы и проявляется в том, что тело сохраняет свое состояние в момент возлдействия. Она играет важную роль в механике и помогает объяснить множество явлений, таких как сохранение энергии, равномерное движение и принцип инерции.
В рамках классической механики, векторные величины, такие как силы инерции, являются искусственно введенными понятиями. Они используются в моделях для удобства и позволяют рассматривать истинное движение как "абсолютное". Эйлеровы силы инерции, такие как переносные и кориолисовы силы, становятся в этих моделях своего рода реальными физическими силами, но на самом деле это всего лишь модель. Существование сил инерции можно рассматривать как абстрактную конструкцию о наличии и действии сил, которая упрощает понимание и применение расчетных моделей в реальном мире. Инерциальная система отсчета также является идеальной моделью, споры о «реальности» сил инерции являются дискуссионными вопросами в науке. Некоторые ученые признают «реальность» сил инерции, в то время как другие считают их «воображаемыми» [3].
Автор считает, что дискуссия о проблеме реальности сил инерции в большей степени объясняется субъективностью позиций и мнений касательно фиктивности сил инерции в реальности и соответствии объективной реальности как феномена физического мира. Вывод исследования основан на том, что каждый человек в своем опыте ощущает последствия сил инерции, например, при торможении автомобиля, однако эти последствия в физическом мире интерпретируются человеком в рамках сознательной активности и мысленной конструкции не являясь объективным подтверждением реальности и материальности силы воздействия. Инерция, как феномен сознательной активности, представляет собой мысленный опыт и является реальным в контексте идеального мира. Это сознательное представление действительности, которое является
мысленной моделью, и физика имеет другие идеальные модели.
Заключение
В рамках классической механики, векторные величины, такие как силы инерции, мысленными конструкциями реальность которых объясняется удобством использования и позволяют рассматривать истинное движение как «абсолютное». Эйлеровы силы инерции, такие как переносные и кориолисовы силы, таким образом, является условно существующими и реальными физическими силами, в рамках расчётах и мысленного представления физической картины мира, но на самом деле это всего лишь модель. Существование сил инерции это теоретическое условие сходимости физической картины мира и её модели о наличии и действии сил, которое упрощает понимание и применение расчетных моделей в физическом вещественном мире. Инерци-альная система отсчета также является абстрактной моделью. Научная дискуссия о материальной или идеальной реальности сил инерции продолжается до сегодняшнего дня, различные ученые высказывают свои точки зрения на этот вопрос, но важно отметить, что силы инерции зависят не только от материальных тел, но и от ускорения и формы и вида движения выбранной системы отсчёта. Они могут сообщать ускорения и совершать работу, поэтому их нельзя считать полностью нереальными, так как именно в инерциальных системах отсчёта выполняются законы физики, которые являются основой для понимания физической картины мира.
The problem of the reality of inertia forces and inertial reference frame in
physical systems Xing Guiyang
Lomonosov Moscow State University
The problem of the reality of inertia forces and the inertial frame of reference is a controversial and controversial topic in the academic environment. The relevance of the study lies in the fact that inertia forces arise at a time when bodies move in inertial reference frames, at the same time, measurement and evaluation of them as real forces is inaccessible either instrumentally or visually, therefore a theoretical consensus of opinions on the nature and reality of inertia forces is necessary. The object of research is a geometric model of the world, which includes various reference systems. The subject of the study is inertial reference systems involving the movement of bodies. The purpose of the study is to find a consensus of opinions about the nature and reality of inertia forces. The study concludes that the inertial reference frame is defined as a system of mental experience necessary for subsequent modeling of the laws of the physical world in which Newton's laws and the theory of relativity are fulfilled. The reality of inertia forces is determined by the mental and conscious effort of the observer from the position of the consequences of the movement of bodies in the inertial frame of reference, but not the real and objective nature of these forces. Keywords: gravitational force, field theory, relativity theory, reference frame,
isotropy of space, motion of bodies. References
1. Nikolaev, V. I. Inertia forces in the general course of physics / V. I. Nikolaev
// Physical education in universities. - 2000. - Vol. 6, No. 2. - pp. 5-17. -EDN IJWVTZ.
2. Khairullin, V. A. Inertia in socio-economic systems: theoretical and heuristic
analysis of the phenomenon / V. A. Khairullin, S. V. Makar, E. N. Yamalova // Discussion. - 2021. - № 5(108). - Pp. 88-104. - DOI 10.46320/20777639-2021-5-108-88-104. - EDN ZNUDXK.
3. Tolchelnikova S. A. Inertial coordinate system and unity of inertia and gravity
forces //Report. The Main Astronomical Observatory of the Russian Academy of Sciences. Pb. TESSA. - 2003. - pp. 437-450.
4. Egorov, G. V. on the forces of inertia / G. V. Egorov // Bulletin of the Bryansk
State University. - 2013. - No. 1. - PP. 223-226. - EDN RDKHPR.
Литература
1. Николаев, В. И. Силы инерции в общем курсе физики / В. И. Николаев // Физическое образование в ВУЗах. - 2000. - Т. 6, № 2. - С. 5-17. - EDN IJWVTZ.
2. Хайруллин, В. А. Инерция в социально-экономических системах: теоретико-эвристический анализ феномена / В. А. Хайруллин, С. В. Макар, Э. Н. Ямалова // Дискуссия. - 2021. - № 5(108). - С. 88104. - DOI 10.46320/2077-7639-2021-5-108-88-104. -EDN ZNUDXK.
3. Толчельникова С. А. Инерциальная система координат и единство сил инерции и тяготения //Доклад. Главная астрономическая обсерватория РАН. Пб. ТЕССА. - 2003. - С. 437-450.
4. Егоров, Г. В. о силах инерции / Г. В. Егоров // Вестник Брянского государственного университета. - 2013. - № 1. - С. 223-226. - EDN RDKHPR.
О *
О X
о 3
S *
и
с т ■и о
S
т
ф
а т
о т
а
8)
