Поняття Про Еквівалентність Сил Інерції і Сил Тяжіння

Сили інерції виникають у прискорених (неінерціальних) системах відліку – як поступальних, так і обертальних. Значення сили інерції знаходять добутком маси тіла на прискорення системи. Характерним у цьому є те, що для тіл різних мас в заданій неінерціальній системі прискорення є однаковим, тобто сили інерції надають різним тілам однакового прискорення. Відомо, що такі властивості притаманні і силам тяжіння. Ці факти дають підставу говорити про еквівалентність сил інерції і сил тяжіння.

Оскільки сили інерції еквівалентні силам тяжіння, то їх іноді не можна розрізнити. Уявімо ліфт поза полем тяжіння. Коли б хтось зовні прив'язав до ліфта канат і переміщував його вгору з прискоренням, яке дорівнювало б, скажімо, прискоренню вільного падіння g, то, очевидно, спостерігач у кабіні ліфта відчував би свою власну вагу і бачив би падіння тіл додолу так само, як і у випадку нерухомого ліфта, але у полі тяжіння.

Правда, коли б кабіна ліфта була досить великих розмірів, то спостерігач за допомогою точних вимірювань величини і напряму діючих сил міг би відрізнити сили інерції від сил тяжіння. Сили інерції, які діяли б на дане тіло в різних точках, були б рівні і паралельні; сили тяжіння в міру підняття над підлогою зменшувались би, а за напрямами в різних точках являли б собою систему сил, що сходяться. У малих кабінах ліфта спостерігач цих сил не відрізнятиме.

Так само спостерігач не відрізняв би сил інерції від сил тяжіння, якби перебував в обертальній кабіні навколо осі, віддаль до якої була б значною. В усіх точках даної кабіни прискорення були б однакові, а при умові їх рівності g сили інерції були б еквівалентні силам тяжіння поблизу Землі.

Ми розглянули уявні неінерціальні системи поза полем тяжіння. Перебуваючи насправді в неінерціальних системах у полі тяжіння і враховуючи еквівалентність сил інерції і сил тяжіння, ми змушені практично рахуватися з деякою результуючою «ефективною силою тяжіння» в цих системах. Наприклад, перебуваючи в кабіні космічного корабля під час його підняття з прискоренням а >> g, космонавт зазнає дії ефективної сили тяжіння, яка значно перевищує силу тяжіння до Землі; це ж саме має місце, коли космічний корабель повертається на Землю, входить у густі шари атмосфери і сильно гальмується.

Коли космічний корабель рухається навколо Землі в ролі її супутника, відцентрова сила інерції, що діє на космонавта, зрівноважує відповідну силу тяжіння, отже, ефективна сила тяжіння стає рівною нулю; космонавт перебуває в полі невагомості.

Хоч еквівалентність сил інерції і сил тяжіння носить локальний характер, тобто справджується в порівняно малих об'ємах, хоч за походженням ці сили різні (сили інерції виникають при тих або інших змінах швидкості руху системи, отже, носять взагалі тимчасовий характер, а сили тяжіння є результатом постійної взаємодії тіл, незалежної від характеру руху цих тіл), все ж еквівалентність розглядуваних сил має важливе практичне і теоретичне значення.

На практиці за допомогою відцентрової сили інерції, що виникає в центрифузі, створюється штучне перевантаження, потрібне для тренування космонавтів; аналогічно можна було б усунути і невагомість у космічному кораблі, надавши йому обертального руху (звичайно це ускладнило б космонавту спостереження навколишнього простору) і т. д.

До важливих результатів спеціальної теорії відносності належить встановлення рівності інертних і гравітаційних мас тіл. З цієї рівності по суті випливає еквівалентність сил інерції і сил тяжіння. Обидва ці факти спонукали до нових наукових пошуків. Справді, якщо інертні і гравітаційні властивості тіл взаємопов'язані, то повинні існувати більш загальні фізичні закони, які відображали б ці зв'язки, тобто включали в собі як закони руху, так і закон тяжіння. Що ж до еквівалентності сил інерції і сил тяжіння, то вона вказує на той перекидний місток, через який можуть проходити узагальнення фізичних законів до таких форм, при яких принцип відносності задовольнявся б не тільки для інерціальних систем координат, а й для неінерціальних систем. Саме ці завдання спонукали А. Ейнштейна до пошуку загальної теорії відносності.

1.9