Войти
В физике концепция абсолютного вращения- вращения независимо от какой-либо внешней ссылки - является предметом споров по поводу относительности, космология и природа физических законов.
Чтобы понятие абсолютного вращения было научно значимым, оно должно быть измеримо. Другими словами, может ли наблюдатель отличить вращение наблюдаемого объекта от собственного вращения? Ньютон предложил два эксперимента для решения этой проблемы. Одним из них является воздействие центробежной силы на форму поверхности воды, вращающейся в ведре, что эквивалентно явлению вращательной силы тяжести, используемому в предложениях для полет человека в космос. Второй - влияние центробежной силы на натяжение струны, соединяющей две сферы, вращающиеся вокруг своего центра масс.
Ньютон предположил, что форма поверхности воды указывает на наличие или отсутствие абсолютного вращения относительно абсолютного пространства : вращающаяся вода имеет криволинейная поверхность, негазированная вода имеет ровную поверхность. Поскольку вращающаяся вода имеет вогнутую поверхность, если поверхность, которую вы видите, вогнутая, и вода не кажется вам вращающейся, значит, вы вращаетесь вместе с водой.
Центробежная сила необходима для объяснения вогнутости воды в системе координат одновременного вращения (той, которая вращается вместе с водой), потому что вода кажется неподвижной в этой системе координат и, следовательно, должна иметь плоскую поверхность. Таким образом, наблюдателям, смотрящим на неподвижную воду, нужна центробежная сила, чтобы объяснить, почему поверхность воды вогнутая, а не плоская. Центробежная сила толкает воду к стенкам ковша, где она накапливается все глубже и глубже. Накопление останавливается, когда любой дальнейший подъем стоит столько же работы против силы тяжести, сколько энергия, полученная от центробежной силы, которая больше больший радиус.
Если вам нужна центробежная сила, чтобы объяснить то, что вы видите, тогда вы вращаетесь. Ньютон пришел к выводу, что вращение является абсолютным.
Другие мыслители полагают, что чистая логика подразумевает, что только относительное вращение имеет смысл. Например, епископ Беркли и Эрнст Мах (среди прочих) предположили, что имеет значение относительное вращение относительно неподвижных звезд, а вращение неподвижных звезды относительно объекта имеет тот же эффект, что и вращение объекта относительно неподвижных звезд. Аргументы Ньютона не решают этого вопроса; Однако его аргументы можно рассматривать как установление центробежной силы как основы для рабочего определения того, что мы на самом деле подразумеваем под абсолютным вращением.
Ньютон также предложил другой эксперимент для измерения скорости вращения: используя натяжение нити, соединяющей две сферы, вращающиеся вокруг их центра масс. Ненулевое натяжение струны указывает на вращение сфер, независимо от того, думает ли наблюдатель, что они вращаются. Этот эксперимент в принципе проще, чем эксперимент с ведром, потому что он не требует гравитации.
Помимо простого ответа «да или нет» на вращение, можно фактически вычислить свое вращение. Для этого нужно измерить скорость вращения сфер и вычислить натяжение, соответствующее этой наблюдаемой скорости. Затем это рассчитанное натяжение сравнивается с измеренным натяжением. Если они согласны, один находится в неподвижной (невращающейся) раме. Если эти двое не согласны, чтобы достичь согласия, нужно включить центробежную силу в расчет натяжения; например, если сферы кажутся неподвижными, но натяжение не равно нулю, полное натяжение происходит из-за центробежной силы. По необходимой центробежной силе можно определить скорость вращения; например, если рассчитанное натяжение больше измеренного, то один вращается в направлении, противоположном сферам, и чем больше расхождение, тем быстрее это вращение.
Натяжение проволоки - это центростремительная сила, необходимая для поддержания вращения. Физически вращающийся наблюдатель испытывает центростремительную силу и физический эффект, возникающий из-за его собственной инерции. Эффект, возникающий из-за инерции, упоминается как реактивная центробежная сила.
Независимо от того, связаны ли эффекты инерции с фиктивной центробежной силой, это вопрос выбора.
Подобным образом, если бы мы не знали, что Земля вращается вокруг своей оси, мы могли бы вывести это вращение из центробежной силы, необходимой для учета выпуклость, наблюдаемая на ее экваторе.
В своих Принципах Ньютон предположил, что форма вращающейся Земли была формой однородного эллипсоида, образованного равновесием между удерживающей ее гравитационной силой и центробежная сила, разрывающая его. Этот эффект легче увидеть на планете Сатурн, радиус которой в 8,5–9,5 раз больше, чем у Земли, но период вращения составляет всего 10,57 часов. Отношение диаметров Сатурна составляет приблизительно 11 к 10.
Исаак Ньютон объяснил это в своей книге Principia Mathematica (1687), в которой он изложил свою теорию и расчеты формы Земли. Ньютон правильно предположил, что Земля не была сферой, а имела форму плоского эллипсоидального, слегка сплющенного на полюсах из-за центробежной силы вращения. Поскольку поверхность Земли находится ближе к центру на полюсах, чем на экваторе, гравитация там сильнее. Используя геометрические вычисления, он привел конкретные аргументы в пользу гипотетической эллипсоидной формы Земли. Современные измерения сплющенности Земли приводят к экваториальному радиусу 6378,14 км и полярному радиусу 6356,77 км, что примерно на 0,1% меньше сжатия, чем оценка Ньютона. Теоретическое определение точной степени сжатия в ответ на центробежную силу требует понимания структуры планеты не только сегодня, но и во время ее формирования.
В 1672 году Жан Ричер нашел первое доказательство того, что гравитация не была постоянной над Землей (как было бы, если бы Земля была сферой); он взял маятниковые часы на Cayenne, Французская Гвиана и обнаружил, что они теряют 2 ⁄ 2 минут в день по сравнению с их скоростью. в Париже. Это указывает на то, что ускорение свободного падения на Кайенне было меньше, чем в Париже. Маятниковые гравиметры начали использовать в путешествиях в отдаленные уголки мира, и постепенно было обнаружено, что гравитация плавно увеличивается с увеличением широты, причем гравитационное ускорение на полюсах примерно на 0,5% больше, чем на экваторе.
Только в 1743 году Алексис Клеро в Теории де ла Фигура де ла Терр смог показать, что теория Ньютона о том, что Земля имеет эллипсоидальную форму, верна. Клеро показал, как были уравнены Ньютона. неверно, и не подтвердил эллипсоидную форму Земли. Однако он исправил проблемы с теорией, что фактически подтвердило правильность теории Ньютона. Клеро считал, что у Ньютона были причины для выбора той формы, которую он выбрал, но он не поддержал это в Principia. Статья Клеро также не содержала действительного уравнения, подтверждающего его аргументы. Это вызвало много споров в научном сообществе.
Французский физик Жорж Саньяк в 1913 году провел эксперимент, аналогичный эксперименту Майкельсона – Морли, который был предназначен для наблюдения эффекты вращения. Саньяк поставил этот эксперимент, чтобы доказать существование светоносного эфира, от которого теория относительности Эйнштейна 1905 отказалась.
Эксперимент Саньяка и более поздние аналогичные эксперименты показали, что стационарный объект на поверхности Земли будет вращаться один раз за каждый оборот Земли при использовании звезд в качестве стационарной точки отсчета. Таким образом, был сделан вывод, что вращение является абсолютным, а не относительным.
Принцип Маха - это имя, данное Эйнштейном гипотезе, часто приписываемой физику и философ Эрнст Мах.
Идея состоит в том, что локальное движение вращающейся системы отсчета определяется крупномасштабным распределением материи во Вселенной.. Принцип Маха гласит, что существует физический закон, который связывает движение далеких звезд с местной инерциальной системой отсчета. Если вы видите, как все звезды вращаются вокруг вас, Мах предполагает, что существует некий физический закон, который заставит вас почувствовать центробежную силу. Этот принцип часто формулируется расплывчато, например: «масса снаружи влияет на инерцию здесь».
Примером, рассмотренным Эйнштейном, была вращающаяся упругая сфера. Подобно вращающейся планете, выступающей на экваторе, вращающаяся сфера деформируется в сжатый (сжатый) сфероид в зависимости от своего вращения.
В классической механике для объяснения этой деформации требуются внешние причины в системе отсчета в сфероиде, который не вращается, и эти внешние причины могут быть приняты как «абсолютное вращение» в классической физике и специальной теории относительности. В общей теории относительности внешние причины не упоминаются. Вращение происходит относительно местных геодезических, и поскольку местные геодезические в конечном итоге передают информацию от далеких звезд, кажется, что существует абсолютное вращение относительно этих звезд.
