4. ЯВЛЕНИЕ КОРИОЛИСА – ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ

Густав Гаспар Кориолис (1792—1843 гг.) – французский математик и механик открыл силу инерции, названную впоследствии его именем. Она возникает в неинерциальной вращающейся системе отсчета. Он также вывел ее формулу.

Кориолис Г. Г.

Сила Кориолиса равна удвоенной радиальной скорости (V_р), умноженной на угловую скорость вращения (ω) и умноженную на синус угла между ними, а так же на испытуемую массу (M).

В классической физике описаны два варианта проявления силы и ускорения Кориолиса.

В первом варианте относительная скорость направлена вдоль радиуса вращающейся системы. Здесь действительно проявляется достаточно выраженное явление, которое в классической физике ассоциируют с ускорением Кориолиса. Однако в классической физике за силу и ускорение Кориолиса фактически принимается противо реакция на обычную тангенциальную силу, которая поддерживает угловую скорость переносного вращения. Поддерживающая сила – это либо сила, действующая на движущееся радиально тело со стороны вращающихся масс системы, которые не изменяют своего радиального положения, либо любая внешняя сила, которая поддерживает переносную угловую скорость на постоянном уровне.

В отсутствие поддерживающей силы происходит естественное уменьшение угловой скорости при радиальном движении от центра вращения и естественное увеличение угловой скорости при радиальном движении к центру вращения. Это явление в классической физике называется законом сохранения углового момента, который якобы выполняется в отсутствие тангенциальных сил. Однако в реальной действительности угловой момент сохраняется именно за счёт тангенциальной составляющей радиальной силы. Это и есть основа явления Кориолиса. Поэтому тангенциальную составляющую радиальной силы мы называем истинной силой Кориолиса-Кеплера.

Проявляясь совместно с «обычной» истинной силой Кориолиса, фиктивная сила инерции Кориолиса одновременно противоречит, как физическому смыслу обычных сил, так и фиктивных сил инерции. 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 народов, начиная со времён Кориолиса, и до сих пор спорят, реальна ли сила Кориолиса или же это только иллюзорная сила инерции.

Поскольку истинная сила Кориолиса-Кеплера в классической модели явления Кориолиса полностью скомпенсирована, то природа этого явления принципиально не может быть раскрыта в классической физике. В частности реальное ускорение и сила Кориолиса за счёт компенсации истинной силы Кориолиса-Кеплера вдвое меньше классического ускорения и силы Кориолиса. При этом классической силе Кориолиса соответствует только общее силовое напряжение, возникающее при противодействии поддерживающей силы и истинной силы Кориолиса-Кеплера.

Во втором варианте относительная скорость направлена перпендикулярно постоянному радиусу вращающейся системы. При этом абсолютная линейная скорость является величиной постоянной. Но это есть не что иное, как равномерное вращательное движение, динамику которого с классической же точки зрения определяет исключительно только центростремительное ускорение. Следовательно, либо никакого ускорения Кориолиса при тангенциальном относительном движении нет, либо классической физике следует пересмотреть свои взгляды, как на явление Кориолиса, так и на классическую модель вращательного движения.

Явление Кориолиса – Кеплера играет очень важную роль в природе. Например, А. И. Андреев в работе «Основы естественной энергетики», Санкт-Петербург, 2004, г. на стр. 181 пишет:

«Поскольку образование и существование вихрей элементарных частиц и гравитации происходит за счёт кориолисовых сил и самовращения, то кориолисово самовращение, именно в этом смысле является основой природы».

В реальной действительности никакого самовращения вихрей за счёт силы Кориолиса нет, и не может быть в принципе. Самовращение есть только в равномерном вращательном движении. Тем не менее, явление Кориолиса – Кеплера заслуживает того, чтобы уделить ему особое внимание при рассмотрении вопросов физики движения, тем более что в классической физике оно не имеет непротиворечивого объяснения.

Рассмотрим эти вопросы подробнее.

4.1. Первый вариант проявления ускорения Кориолиса. Скорость относительного движения направлена вдоль радиуса вращающейся системы

А. Н. Матвеев в работе «Механика и теория относительности», 3-е издание, Москва, «ОНИКС 21 век», «Мир и образование», 2003 г., допущенной в качестве учебника для студентов высших учебных заведений определяет ускорение Кориолиса следующим образом (см. фотокопии ниже).

Книга написана в соответствии с программой курса физики для университетов, однако, физики в данном учебнике нисколько не больше, чем во многих других современных учебниках по физике. Форма написания книги больше соответствует справочной литературе по физике, в которой приводятся не столько физические, сколько математические описания физических явлений.

Матвеев пытается выяснить и донести до читателей «физическую сущность кориолисова ускорения», как он сам пишет на странице 403 своей книги. Однако все принципиальные выводы, касающиеся физики явления Кориолиса, подробно не анализируются. Все спорные и противоречивые моменты явления Кориолиса остаются без доказательства и разъяснений. Механизм образования ускорения Кориолиса не раскрыт. Всё представлено на уровне голой математики, за которой не всегда виден физический смысл явлений, хотя в физике все должно быть наоборот.

Ускорение Кориолиса в первом варианте по Матвееву это изменение скорости тела, движущегося радиально внутри вращающейся системы в направлении, перпендикулярном радиусу вращения. Это общепринятое в классической физике определение ускорения Кориолиса.

На стр. 404 Матвеев пишет:

«Скорость вдоль радиуса Vr изменяется за это время (Δt) по направлению, а скорость Vn, перпендикулярная радиусу, изменяется как по направлению, так и по абсолютному значению. Полное изменение составляющей скорости, перпендикулярной радиусу, равно:

ΔVn = Vn₁ – Vn₂ * cos α + Vr * Δα ≈

≈ ω * r₁ – ω * r₂ + Vr * ω Δt = V * Δr + Vr * ω Δt (66.3)

где учтено, что cos α ≈ 1

Следовательно, кориолисово ускорение в пределе при Δt→0 равно:

w_к = ω * Δr / dt + Vr * ω = 2 * Vr * ω (66.4)».

Вообще говоря, поворот вектора переносной скорости происходит под действием переносного центростремительного ускорения, которое проявляется в радиальном направлении и потому не имеет никакого отношения к поворотному ускорению Кориолиса. Поэтому векторы (V_n1) и (V_n2) можно сравнивать по абсолютной величине непосредственно без проецирования (V_n2) на тангенциальное направление с учётом (cos α). Всё намного серьёзнее, чем ненужное в данном случае проецирование и связано с неправильными физическими представлениями классической физики о явлении Кориолиса.

Из выражения (66.4) следует, что ускорение Кориолиса – это изменение абсолютной скорости в направлении перпендикулярном радиусу, которое обеспечивается двумя самостоятельными независимыми ускорениями:

1. Ускорением, характеризующим приращение линейной скорости переносного вращения по абсолютной величине;

2. Ускорением, характеризующим приращение радиальной скорости относительного движения по направлению.

Этим собственно и объясняется «двойка» в ускорении Кориолиса. Но если предположить, что эти две якобы самостоятельные интерпретации ускорения Кориолиса представляют собой одну и ту же физическую величину, то под сомнение подпадает именно её удвоение.

4.1.1. Физический смысл явления Кориолиса определяется Истинной силой Кориолиса-Кеплера из второго закона Кеплера

В соответствии со вторым законом Кеплера, ошибочно называемом в классической лже динамике вращательного движения законом сохранения не существующей в природе физической величины – момента импульса, линейная и угловая скорость при изменении радиуса изменяется обратно пропорционально первой и второй степени радиуса соответственно. Но как известно единственной причиной изменения скорости (импульса) неизменной массы является только сторонняя сила. Найдём эту силу.

Из формулировки второго закона Кеплера (1609 г.) следует – радиус-вектор обращающегося тела заметает равные площади за равные промежутки времени (см. рисунок ниже). Здесь Fипэп – сила инерции поэлементной поддержки (сила инерции Ньютона). Сила Кеплера является результирующей Fr и Fипэп. А истинная сила Кориолиса – проекция силы Кеплера на перпендикуляр к «r».

Площадь, описываемая радиус-вектором за малое время Δt, приближенно равна площади треугольника с основанием rΔθ и высотой r:

dS = ½ * r² * Δθ

dS / dt = ½ r² * dθ / dt = ½ * r * V_┴ = ½ * ω * r² = const.

А поскольку секторальная скорость (dS / dt) постоянна, то её производная по времени S’t равна нулю:

S«(t) = ½ (r’(t) * V_┴ + r * V_┴»(t)) = 0

где

r’(t) = Vr – радиальная скорость

V_┴»(t) = a_{К ист} – ускорение Кориолиса Истинное;

V_┴ = ω * r

Тогда:

Vr * ω * r + r * a_{К ист.} = 0

Сократив на r, получим:

a_{К ист} = – Vr * ω

Тогда Истинная сила Кориолиса равна:

Fк ист = а_{К ист} * m = – Vr * ω * m

Не трудно показать связь второго закона Кеплера с так называемым законом сохранения момента импульса или углового момента классической лже динамики вращательного движения.

L = m * ω * r²

Тогда:

dS / dt = ½ * L / m

Таким образом, угловая скорость при радиальном движении определяется не только чисто геометрическим масштабированием при неизменной линейной скорости с масштабным коэффициентом-радиусом, что совершенно очевидно и без каких-либо выводов, но и за счёт истинной силы Кориолиса-Кеплера, которая физически изменяет линейную скорость на каждом текущем радиусе. При этом истинная сила Кориолиса-Кеплера, тормозящая тело при радиальном движении от центра вращения и разгоняющая его при движении к центру, вдвое меньше классической силы Кориолиса. Напомним коротко физический механизм, лежащий в основе второго закона Кеплера, изложенный в главе (3.4.3), на примере радиального движения от центра вращения.

В результате ослабления связей с центром вращения при радиальном движении часть энергии связи безвозвратно рассевается в окружающем пространстве. При этом энергия связи, необходимая для установления нового вращения тела на новом радиусе, может быть изъята только из кинетической энергии освобождающегося тела. Отбор необходимой энергии осуществляется за счёт истинной силы Кориолиса-Кеплера, которая является тангенциальной проекции радиальной силы на касательную к спирали. При этом угловая скорость тела уменьшается, как геометрически в результате масштабирования между угловой и линейной скоростью с масштабным коэффициентом-радиусом, так и за счёт непосредственного физического уменьшения линейной скорости через силу Кеплера (см. гл. 3.4.3.).

Таким образом, классическая сила и ускорение Кориолиса, которые определяются при неизменной угловой скорости – есть результат компенсации воздействия на вращательное движение физических факторов характеризующих второй закон Кеплера. Это геометрическое масштабирование между угловой и линейной скоростью и истинная сила Кориолиса-Кеплера, которые и определяют физический смысл не только второго закона Кеплера, но и явления Кориолиса, а также произвольного криволинейного движения в целом, которого вне второго закона Кеплера, т.е. без истинной силы Кориолиса-Кеплера не бывает.

Очевидно, что в классическом поворотном движении при неизменной угловой скорости часть поддерживающей вращение силы компенсирует истинную силу Кориолиса-Кеплера. При этом исходная линейная скорость на новом радиусе остаётся неизменной. Эта равновесная часть поддерживающей силы не причастна к ускорению Кориолиса. Дальнейшее восстановление угловой скорости до исходного значения с ускорением Кориолиса осуществляется только за счёт оставшейся части поддерживающей силы. Напомним, что за силу Кориолиса в классической физике принимается реакция на поддерживающую силу.

Осталось выяснить количественное соотношение равновесной статической и неуравновешенной динамической части поддерживающей силы.

Из классической версии явления Кориолиса известно, что полная поддерживающая сила равна (Fпк = 2 * m * ω * Vr). Это вдвое больше истинной силы Кориолиса-Кеплера, равной (Fик = m * ω * Vr). Следовательно, оставшаяся после компенсации истинной силы Кориолиса-Кеплера динамическая часть поддерживающей силы и сообщаемое ей реальное тангенциальное ускорение Кориолиса, равны ровно половине поддерживающей силы. Соответственно реакция на эту динамическую часть поддерживающей силы, т.е. реальная сила Кориолиса, также вдвое меньше классической силы Кориолиса.

Это непосредственно следует из физического смысла второго закона Кеплера и чисто аналитически. Поскольку в отсутствие поддерживающей силы угловая скорость обратно пропорциональна квадрату радиуса, а геометрическое масштабирование угловой и линейной скорости через масштабный коэффициент-радиус обратно пропорционально только первой степени радиуса, то на долю статической и динамической части поддерживающей силы приходится ровно по половине её величины.

Если путём компенсации истинной силы Кориолиса-Кеплера поддерживать на неизменном уровне только линейную скорость переносного вращения, то ускорение Кориолиса будет равно нулю. Возникающее при этом движение по спирали осуществляется только с центростремительным ускорением, что на первый взгляд выглядит парадоксальным. Однако это не равномерное вращательное движение. Его переменное центростремительное ускорение регулируется радиальной силой, периодически изменяющей связь с центром вращения.