Читать книгу Физика движения. Альтернативная теоретическая механика, или Осознание знания. Книга в двух томах. Том II - А. А. Астахов, Александр Алексеевич Щанкин - Страница 6

Аналитический вывод Фейнмана отличается от приведённых выше геометрических выводов явления Кориолиса тем, что Фейнман определяет ускорение и силу Кориолиса непосредственно через уравнение динамики вращательного движения, минуя геометрические построения.

Фейнман Р.

Однако, как показано в главе (3.4.), классическое уравнение моментов и все параметры классической динамики вращательного движения противоречат истине динамики Ньютона. Поэтому из вывода Фейнмана следует точно такая же неправильная геометрия приращения поворотного движения, как и в классических геометрических выводах.

В главе (4.1.) показано, что приращение поворотного движения, определяемое вдоль переносной окружности, это и есть общий годограф «поворотной» скорости, который и определяет общее приращение радиальной скорости по направлению и окружной скорости переносного движения по величине. При этом длина общего годографа вдвое меньше длины окружности с максимальным радиусом и соответствует длине окружности переносного движения со средним радиусом.

Из этого следует, что общее приращение скорости поворотного движения или «поворотной» скорости численно равно либо приращению абсолютной скорости в направлении линейной скорости переносного движения по величине, либо приращению относительной скорости по направлению. Однако классическая физика более чем за 200 лет со дня открытия явления Кориолиса, так и не смогла этого понять.

Поэтому аналитический вывод Фейнмана – это очередная математическая подгонка силы и ускорения Кориолиса под нужный ответ, основанный на неправильных классических представлениях о явления Кориолиса.

Но поскольку правильная математика не может отражать неправильную «действительность», то подгонка под неправильный ответ не может быть выполнена без нарушения, в том числе и математических правил. Поэтому Фейнману вслед за искажением физического смысла явления Кориолиса пришлось нарушить и математические правила.

Итак, обо всём по порядку.

Ниже приведена фотокопия оригинального текста из работы «ФЕЙНМАНОВСКИЕ ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ. 2. ПРОСТРАНСТВО. ВРЕМЯ. ДВИЖЕНИЕ», стр. 78, 79; Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс

Как видно из вывода Фейнмана, для определения силы Кориолиса в классической физике необходимо поддерживать угловую скорость вращающейся системы за счет «обычной» внешней боковой силы, которая естественно воздействует и на любой предмет на радиусе системы. Фейнман, наверное, оговорился, но в приведённом выше фрагменте он утверждает, что это и есть сила Кориолиса, которая и толкает тело в бок (см. выше). На самом деле в классической интерпретации поворотного движения в бок тело толкает обычная поддерживающая сила. А силой инерции Кориолиса называют ответную реакцию на действие поддерживающей силы.

Однако в этой ошибке Фейнмана нет ничего удивительного, т.к. в классической физике Ньютона нет ничего более странного, чем модель явления Кориолиса. Она настолько странная, что в ней запутались даже такие известные физики, как Фейнман.

Первая странность заключается в том, что сила Кориолиса определяется в классической физике исключительно только при неизменной угловой скорости, как реакция на строго определённую поддерживающую вращение силу. В природе условие неизменности угловой скорости практически никогда идеально не соблюдается. Более того в естественном виде явление Кориолиса наблюдается только в таких неидеальных системах.

Один из примеров проявления силы Кориолиса в естественном виде приведён самим Фейнманом. Это человек с гантелями в руках, вращающийся на вращающемся столике. Конечно же, это не совсем природный пример, но он естествен тем, что в нём нет полной поддерживающей силы, которая искусственно поддерживала бы угловую скорость на неизменном уровне, как это происходит в классической модели явления Кориолиса.

На этом примере, выраженном намного контрастнее природных вращающихся систем, но не отличающемся от них принципиально, мы и покажем всю абсурдность классической модели явления Кориолиса. Начнём с того, что выясним, какую именно силу классическая физика принимает за силу Кориолиса и почему теоретически она в классической физике привязана к постоянной угловой скорости вращающейся системы, несмотря на то, что в естественных условиях таких систем практически не существует.

Есть все основания полагать, что эта привязка вызвана вовсе не только и не столько соображениями математического упрощения вывода силы Кориолиса. Скорее всего, это связано с непониманием природы явления Кориолиса, в котором при неполной компенсации угловой скорости проявляется и неизвестная классической физике истинная сила Кориолиса-Кеплера. При этом естественно изменяется и величина классической силы и ускорения Кориолиса.

Фейнман правильно отмечает, что тело вращающегося человека при сгибании им рук с гантелями не изменяет свой момент инерции (приведённое сопротивление, см главу 3.4.), т.к. радиус самого тела остаётся при этом постоянным. Но если при сгибании рук тело человека начинает вращаться быстрее, значит, увеличивается его линейный импульс, т.е.

«на тело должен действовать момент силы»,

как говорит сам Фейнман, или в нашей версии просто сила.

Это не может быть центробежная сила, т.к. она направлена по радиусу, говорит Фейнман. Следовательно, среди сил, возникающих во вращающейся системе центробежная сила не одинока: есть ещё и другая сила:

«Эта другая сила носит название кориолисовой силы, или силы Кориолиса». Фейнман отмечает, что: «Она обладает очень странным свойством: оказывается, что если во вращающейся системе мы двигаем какой-то предмет, то она толкает его в бок». «…Именно эта „боковая сила“ и создаёт момент, который раскручивает наше тело».

Фейнман удивительно точно отметил, что классическая сила Кориолиса действительно очень странная сила, причём самая странная из всех странных уже по своему определению сил инерции в классической физике. Она настолько странная, что даже сам Фейнман в ней основательно запутался. Обратите внимание, что строго по тексту Фейнмана следует, что боковая фиктивная сила инерции Кориолиса толкает тело в бок и создаёт момент, который раскручивает и гантели и тело человека. Однако фиктивные силы инерции не могут ничего и никуда толкать! Ё!

Действительно, если на тело человека со стороны гантелей действует «момент» силы и при этом их собственная линейная скорость синхронно изменяется в этом же направлении, то в бок их может толкать только одна и та же сила. Причём это должна быть вовсе не фиктивная сила инерции Кориолиса, а вполне реальная обычная сила. Это и есть истинная сила Кориолиса (см. главу 3.4.).

В классической физике такой силы нет. Вот Фейнман и запутался, приняв обычную истинную силу Кориолиса-Кеплера, за фиктивную силу инерции Кориолиса. Но это более, чем странно для фиктивных сил инерции, которые по определению не могут вызывать ускорения в своём направлении.

Можно, конечно же, считать, что Фейнман опять оговорился. Однако мы не случайно привели фотокопию работы Фейнмана. Обратите внимание, что говоря о боковой закручивающей силе, которая делает центробежную силу инерции не одинокой и которая является такой же фиктивной, как и сама центробежная сила, он, безусловно имеет в виду фиктивную силу инерции Кориолиса.

При этом Фейнман заостряет наше внимание именно на увеличении скорости гантелей и тела человека под действием момента этой боковой силы. Следовательно это не случайная оговорка Фейнмана. Он определённо путает фиктивную силу Кориолиса с неизвестной ему обычной силой Кориолиса-Кеплера. Причём делает это неоднократно.

Поддерживающей силой в примере с вращающимся человеком, является сила инерции вращающейся массы тела человека, которая по причине неизменности своего радиуса стремится сохранить (поддержать) на неизменном уровне прежнюю угловую скорость всей системы. При движении гантелей к центру вращения эта сила отрицательная, т.к. она направлена против ускоренного вращения системы. Следовательно, реакция на эту силу положительная, т.е. сила инерции Кориолиса в этом случае направлена в сторону растущей угловой и линейной скорости гантелей и вращающегося человека.

Так что Фейнман абсолютно по правилам определил направление классической фиктивной, несуществующей силы инерции Кориолиса. Вот только он почему-то не объяснил, как фиктивная сила инерции может реально толкать тело в бок, создавая реальный момент, увеличивающий скорость вращения гантелей и человека с реальным ускорением! Ё! Фейнман так же не объяснил, как же в таком случае называть ещё одну фиктивную силу инерции, которая проявляется в этом движении, как реакция со стороны тела человека на реальный момент со стороны гантелей.

В реальной действительности в этом движении одновременно проявляется столько обычных и фиктивных сил инерции, что Фейнман, скорее всего просто окончательно запутался в них. А объяснить все эти силы Фейнман просто не в состоянии, т.к. это принципиально не возможно в рамках классической динамики вращательного движения, которая на фоне поддерживающей силы классической модели явления Кориолиса фактически потеряла истинную причину явления Кориолиса, т.е. истинную силу Кориолиса-Кеплера.

При этом классической физике остаётся только одно – списать всё на странности классической силы Кориолиса! Но самое странное в этом то, что вот уже более 200 лет эта более, чем странная сила Кориолиса, несмотря ни на какие свои странности, всех абсолютно устраивает! Ё!

Тем не менее, в природе никаких странностей не может быть в принципе. Странными могут быть только наши представления о ней и в частности классическая лже динамика вращательного движения. В реальной действительности для явления Кориолиса нет никакого смысла в поддерживающей силе, которая только уводит классическую физику в сторону от истины явления Кориолиса. В чистом виде явление Кориолиса проявляется именно в отсутствие поддерживающей силы.

Однако в классической физике изменение скорости вращения в отсутствие поддерживающей силы происходит якобы в отсутствие внешних моментов и соответственно тангенциальных сил вообще, в ответ на которые только и могут проявляться силы инерции. Классически это якобы происходит только за счёт изменения пресловутого момента инерции. Поэтому без поддерживающей силы в классической физике, как бы не может быть и силы инерции Кориолиса.

Таким образом, вместо истинной силы Кориолиса классическая физика называет силой Кориолиса обычную реакцию на поддерживающую силу, которая ничем не отличается от любой другой силы инерции. И это так же очень большая странность классической модели явления Кориолиса, которая выделяет его в особое исключительно специфическое явление.

Эта странность состоит в том, что в реальной действительности Кориолис ничего нового собственно и не открыл, а только присвоил обычной ньютоновской силе инерции своё имя? Пусть это сделал не он сам, но факт остаётся фактом. При этом классическая сила Кориолиса такая же ложь, как и классическая динамика вращательного движения! Не сумев разглядеть в своей лже динамике вращательного движения истинной силы Кориолиса-Кеплера, классическая физика вынуждена считать силой Кориолиса обычную реакцию на искусственно вводимую ей в явление Кориолиса поддерживающую силу. При этом в классической физике получилась воистину странная сила Кориолиса.

Проявляясь совместно с «обычной» истинной силой Кориолиса, фиктивная сила инерции Кориолиса одновременно противоречит, как физическому смыслу обычных сил, так и фиктивных сил инерции. А поскольку в классической динамике вращательного движения понятие об обычной истинной силе Кориолиса-Кеплера отсутствует, то в классической физике родилась самая странная сила не только из всех сил инерции, но и самая странная из всех обычных сил!!!

Классическая сила Кориолиса это либо, полу фиктивная обычная сила, либо, полу обычная фиктивная сила. Недаром физики всех времён и народов, начиная со времён Кориолиса, до сих пор спорят, реальна ли сила Кориолиса или же это только иллюзорная сила инерции.

Только при неизменной угловой скорости, при которой поддерживающая сила полностью компенсирует истинную силу Кориолиса, приращения в направлении классической фиктивной силы инерции Кориолиса не происходит. Иначе она действительно выглядела бы очень странной. Очевидно, что это и есть тот самый критерий, по которому классическая физика определяет соотношения явления Кориолиса только при постоянной угловой скорости, хотя в природе полная поддерживающая сила никогда не наблюдается.

В классической модели поворотного движения величина поддерживающей силы выбрана таким образом, что при неизменной угловой скорости она полностью компенсирует истинную силу Кориолиса-Кеплера. При этом к телу фактически так же, как и в классической модели поступательного неуравновешенного движения, академически привязывается НСО с бесконечно большой массой, инерцию которой преодолеть естественно не возможно (см. гл. 1.2). Это полностью исключает странное для сил инерции реальное ускорение в направлении классической силы Кориолиса за счёт истинной силы Кориолиса-Кеплера.

Однако пример Фейнмана с вращающимся человеком с гантелями явно не удачен для устранения этой странности. При переменной угловой скорости появляется необходимость дифференцировать уравнение моментов не только по радиусу, но ещё и по угловой скорости. При этом соотношение истинной силы Кориолиса-Кеплера и поддерживающей силы будет изменяться, т.е. классическая сила Кориолиса будет иметь разную величину и разную формулу её определения. Естественно это так же было бы очень странной особенностью классической силы Кориолиса.

Вообще говоря, усреднение угловой и радиальной скорости поворотного движения в минимальном интервале времени до постоянных средних величин это совершенно правильный подход к определению динамики изменяющихся процессов. Однако при этом должны усредняться все параметры поворотного движения, включая и его мгновенный радиус. Нельзя усреднить угловую и линейную скорость, оставив при этом переменный радиус. Но усреднив в минимальном интервале времени абсолютно все параметры поворотного движения, мы получим равномерное вращательное движение по вписанной в абсолютную траекторию окружности, в общей кинематике которого явление Кориолиса естественно отсутствует!!!

Таким образом, условие неизменности угловой скорости, вольно или невольно, но фактически возведенное в классической физике в ранг базового основополагающего принципа явления Кориолиса, т.е. её физического смысла, одновременно и лишает её этого смысла! При этом классическая сила Кориолиса, конечно лишается всех своих странностей разом, причём вместе с самой собой. И это так же очень большая странность классической интерпретации явления Кориолиса!

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 (r_о = r_рад = 1 [м_рад или м_о]).

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→– поддерживающая сила, реакция на которую и принимается за классическую силу 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. 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 (ω_1рад) и (ω_2рад) для этих линейных скоростей, как частное от деления граничных линейных скоростей на меру пространства во вращательном движении (r_о).

ω_1рад = ω₂ * r₂ / r_о

ω_2рад = ω₁ * r₂ / r_о

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

Δω_рад = ω_{2 рад} – ω_1рад = ω₁ * r₂ / r_о – ω₂ * r₂ / r_о (4.2.1)

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

F_рад = – Fк = ((m * r_о * Δω_рад) / Δt) где

Fк: сила Кориолиса.

С учётом (4.2.1) получим:

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

Но для простоты вернёмся пока к прежнему выражению:

Fк = (m * r_о * Δω_рад) / Δt (4.2.3)

Поскольку

Δω_рад / Δt = ε_рад,

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

Fк = m * r_о* ε_рад (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 (r_о) выражение (4.2.3) и (4.2.4) можно переписать в символах динамики Ньютона:

Fк = (m * r_о * Δω_рад) / Δt = (m * r_о * Δω * r / r_о) / Δt =

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

или

Fк = m * r_о* ε_рад = m * r_о * ε * r / r_о = m * ε * r =

= m * а_к (4.2.4*)

Поскольку мы фактически вели расчёт по приращению линейной скорости переносного вращения, то совершенно очевидно, что ускорение Кориолиса (а_к) 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 [м_рад], 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:

Δω_рад = ω_2рад– ω_1рад = ω₁ * r₂ / r_о – ω₂ * r₂ / r_о =

= (ω₁ * r₂ – ω₂ * r₂) / r_о (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):

Δω_рад = (ω₁ * r₂² – ω₁ * r₁²) / (r₂ * r_о) = ω₁ * (r₂² – r₁²) / (r₂ * r_о)

Примем во внимание, что:

r₁ = Vr * t

r₂ = Vr * (t + Δt)

ω₁ = ω

тогда:

Δω_рад = Vr² * ω * (2 * t * Δt + Δt²) / (Vr * (t + Δt) * r_о)

Подставим полученное выражение в (4.2.3):

Fк = (m * r_о* Δω_рад) / Δt =

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

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

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 (Δω_рад = ω_{2 рад} — ω_1рад), искусственно дождавшись пока истинная сила Кориолиса доведёт её до значения (ω_1рад), что заведомо меньше начальной неизменной угловой скорости, т.е. точки отсчёта, от которой считается классическая сила и ускорение Кориолиса. А затем определили закручивающую силу от этой отметки при растущей линейной скорости, что в мерной динамике в любом случае означает увеличение угловой скорости. 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.

Движение от исходной угловой (линейной) скорости до угловой (линейной) скорости которую приобретает вращающаяся система в отсутствие поддерживающей силы, и обратно в присутствии поддерживающей силы, было учтено в нашем расчёте именно мысленно. В реальной действительности этого движения нет потому, что его компенсирует часть поддерживающей силы. А образующееся при этом статическое напряжение в составе классической силы Кориолиса не имеет никакого отношения к динамике 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 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.

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 (ω_1рад) и (ω_2рад) для этих линейных скоростей равны:

ω_1рад = ω₁ * r₁ / r_о

ω_2рад = ω₁ * r₂ / r_о

Тогда:

Δω_рад = ω₁ * r₂ / r_о– ω₁ * r₁ / r_о

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 * r_о * (ω₁ * r₂ / r_о – ω₁ * r₁ / r_о) / 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:

Δω_рад = ω₁ * r₂ / r_о – ω₁ * r₁ / r_о = ω₁ * Vr * (t + Δt – t) / r_о =

= ω₁ * Vr * Δt / r_о

Поскольку

ω₁ = ω,

то выражение для приращения угловой скорости примет вид:

Δω_рад = ω * Vr *Δt / r_о

После подстановки найденного приращения угловой скорости (Δω_о) в выражение (4.2.7) и сокращений получим физическое значение динамической силы Кориолиса:

Fпд = m * r_о * ω * Vr * Δt / r_о* 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.

ω_1рад = ω₂ * r₂ / r_о

ω_2рад = ω₁ * r₁ / r_о

Индекс статической составляющей (С) для простоты опущен.

Приращение угловых скоростей образцового вращательного движения равно:

Δω_рад = ω₁ * r₁ / r_о – ω₂ * r₂ / r_о

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

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

Теперь приведём выражение (4.2.9) к традиционному виду. Для этого преобразуем приращение угловой скорости следующим образом:

Δω_рад = ω₁ * r₁ / r_о– ω₂ * r₂ / r_о =

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

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

Но:

r₂ – r₁ = Δr = Vr * Δt

Тогда

Δω_рад = ω₁ * r₁ * Vr * Δt / (r₂ * r_о)

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

r₁ = Vr * t

r₂ = Vr * (t + Δt)

ω₁ = ω

Тогда

Δω_рад = ω * Vr² * t * Δt / (r_о * Vr * (t + Δt)) =

= ω * Vr * t * Δt / (r_о * (t + Δt))

При малом (Δt):

t + Δt ≈ t

Тогда:

Δω_рад ≈ ω * Vr * Δt / r_о (4.2.10)

Подставим (4.2.10) в (4.2.9):

Fкс ≈ m * r_э * ω * Vr * Δt / r_э * 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 и статической силы Кориолиса к классическому виду мы использовали условные допущения, что в малом интервале времени должно выполняться примерное равенство (t + Δt / 2 ≈ t + Δt) и (t + Δt ≈ t) соответственно. Для истинной силы Кориолиса, вывод которой абсолютно аналогичен выводу статической составляющей, также предполагается допущение (t + Δt ≈ t).

Это математическая причина неточного соответствия составляющих напряжения Кориолиса кратности «2» (см. Рис. 4.2.1). Наш расчёт по умолчанию приведён для радиального движения от центра вращения, когда конечный радиус (r₂) определяется по формуле (r₂ = Vr * (t + Δt)). В этом случае принятые условно математические допущения приводят к завышенному результату расчётов. При радиальном движении к центру вращения радиус (r₂) будет определяться по формуле (r₂ = Vr * (t – Δt)). В этом случае допущения приведут к заниженному результату (см. Рис. 4.2.1).

Рис. 4.2.1

Физическая причина указанного несоответствия связана с неточным соответствием теоретического соотношения угловых скоростей в зависимости от обратного соотношения квадратов радиусов. Дело в том, что теоретическое соотношение угловых скоростей в процессе поворотного движения неправомерно принимается в классической физике, как их соотношение в установившихся равномерных вращательных движениях до и после поворотного движения. В реальной действительности в процессе поворотного движения теоретическое соотношение не соблюдается.

Это связано со сдвигом фазы вращения линейной скорости спирали во время радиального движения по отношению к линейной скорости виртуального переносного вращения. Линейная скорость спирали в зависимости от направления радиального движения либо отстаёт по фазе от поворота линейной скорости виртуального равномерного переносного вращения на текущем радиусе при радиальном движении от центра вращения, либо опережает её при движении к центру вращения.

Соответствующим образом ведёт себя и текущая угловая скорость в процессе поворотного движения. При радиальном движении от центра вращения текущая угловая скорость уменьшается по сравнению с угловой скоростью установившегося вращения на этом же радиусе, а при движении к центру вращения увеличивается. В результате сила Кориолиса при радиальном движении от центра вращения уменьшается по сравнению с теоретическим значением, рассчитанном исходя из теоретического соотношения угловых скоростей, а при движении к центру вращения увеличивается.

Необходимый до теоретического значения дополнительный поворот линейной скорости спирали в ту или иную сторону осуществляется только после прекращения радиального движения за счёт дополнительных затрат внешней радиальной силы. При этом линейная скорость спирали становится линейной скоростью установившегося вращательного движения. Причём при радиальном движении от центра вращения линейная скорость установившегося вращательного движения скачкообразно увеличивается, что приводит к увеличению угловой скорости, а при движении к центру вращения уменьшается, что приводит к уменьшению угловой скорости.

Наш вывод формул составляющих силы Кориолиса производился по теоретическому соотношению угловых скоростей в зависимости от обратного соотношения квадратов радиусов (второй закон Кеплера). Поэтому мы получили, неточную кратность двум во всех формулах составляющих напряжения Кориолиса, кроме динамической силы Кориолиса. При расчёте динамической силы Кориолиса неточное теоретическое соотношение (V₁ * r₁ = V₂ * r₂) не применяется, т.к. в расчёте участвует только одно заданное значение угловой скорости, что и обеспечивает точную кратность.

Как показано в главе (3.4.) несоответствие теоретического соотношения угловых скоростей с этим же соотношением в процессе поворотного движения связано с дополнительными затратами с тем или иным знаком на образование установившегося вращения. С увеличением радиуса это несоответствие уменьшается (см. Рис. 4.2.1), т.к. на больших радиусах уменьшается отклонение линейной скорости спирали от линейной скорости переносного вращения и соответственно уменьшается необходимый дополнительный поворот скорости спирали при образовании установившегося вращения.

Поэтому с увеличением радиуса и соответственно потерь на преобразование движения по направлению при установлении равномерного вращения сила Кориолиса, рассчитанная исходя из теоретического соотношения угловых скоростей в зависимости от обратного соотношения квадратов радиусов всё меньше отличается от теоретического значения (см. Рис. 4.2.).