суббота, 27 января 2018 г.

Про эквивалентность инерции и гравитации

В научно-популярной литературе бытует расхожее утверждение, что инерция и гравитация эквивалентны и что с помощью инерциального движения можно эмулировать гравитационное притяжение. Например, если на орбите раскрутить космический корабль, то будет создана искусственная гравитация. Попробуем разобраться, что в этом правда, а что нет.

Сила притяжения двух масс, вызванная гравитацией, равна: $$ F=m\frac{MG}{r^2} $$ Сила воздействия при инерциальном движении равна: $$ F=ma $$ Оба варианта сил эквивалентны, если $$ a=\frac{MG}{r^2} $$ Собственно, утверждение об эквивалентности инерции и гравитации именно на этом и основано. Оба варианта определяют силу как величину, зависящую лишь от самой массы $m$.

Проблема лишь в том, что производится подмена понятий. Утверждение об эквивалентности сил, действующих на тело массой $m$, вовсе не приводит к эксплицированию эквивалентности на сами явления.

По своей природе гравитация есть поле сил, являющееся потенциальным полем. У этого поля есть ненулевая дивергенция, и она указывает на центры или источники гравитации. У поля сил инерции с такой дивергенцией дела обстоят совсем иначе.

Иными словами, если пробное тело находится в разных точках пространства относительно планеты, то сила притяжения может быть и той же по величине, но в разных точках она имеет разное направление. Сила притяжения планеты направлена примерно к центру масс планеты. Это вполне возможно измерить, если измерить взаимное отклонение двух подвесов, разнесенных на достаточно большое расстояние. Чем больше расстояние между подвесами, тем больше будет угол между ними.

С силами инерции дела обстоят иначе. Сила инерции определяется ускорением движения пробного тела. /В случае если ускорение линейное, то направление силы инерции не зависит от точки пробного тела. В любой точке пространства ускорение будет одним и тем же. И у такого поля сил нулевая дивергенция. А значит у такого поля просто отсутствуют источники.

В случае кругового движения тело испытывает центробежное ускорение. Сила, действующая на пробное тело, направлена от центра углового движения. По радиусу. Практически как сила притяжения, но наоборот, от некоего центра. В некотором смысле поле сил неинерциального кругового движения более похоже на поле антигравитации. Но это условная аналогия. Если поле сил гравитации имеет источниками точки, то поле сил кругового движения имеет источником ось. Это линия. В случае крутящегося космического корабля это ось вращения.

Таким образом, можно сделать выводы:
  • Силы инерции и гравитации могут быть эквивалентны в небольшой области пространства, если можно пренебречь дивергенцией поля гравитации
  • Сами же явления инерции и гравитации, вообще говоря, и особенно в больших областях пространства, не эквивалентны и это можно измерить.
  • Вращающийся космический корабль не создает искусственную гравитацию, а скорее антигравитацию с осевым, а не точечным источником поля сил.
  • Во вращающемся корабле возможно бросить пробное тело в сторону, обратную вращению, с подходящей скоростью так, что оно будет двигаться инерциально относительно удаленных звезд. Корабль будет вращаться вокруг него. И, пока это тело не коснется вращающейся стенки, это тело не будет испытывать никакого ускорения. В отличие от такого контактного способа привести тело в ускоренное движение, настоящая гравитация всепроникающая и не требует контакта с каким-либо телом пробной массы.
  • При сообщении ускорения телу контактным способом ускорение в нем распространяется со скоростью звука в этом теле. В то время как гравитация действует одновременно на каждую молекулу тела.
Не думаю, что сделанные выводы требуют пересмотра физических теорий, тем более что особо существенного они в исследовании гравитации пока не дали. Но внимательное отношение к гравитации, конечно, необходимо.

Комментариев нет:

Отправить комментарий