Механика движения вращающихся тел

Сайт Владимира Ерашова

                Механика движения вращающихся тел
                © Ерашов В.М.

                Первый закон Ньютона
        При отсутствии внешних сил, тело сохраняет состояние покоя или равномерного движения с равным нулю ускорением.
         Докажем, что закон справедлив для любых тел, в том числе и вращающихся.
     Во-первых, за все время существования закона, а это несколько столетий, ни разу не потребовалось уточнять, что и вращающиеся тела подчиняются данному закону, это воспринимается как само собой разумеющееся.  Мы же прибегли к уточнению только по той причине, что следствием из этого последуют очень важные выводы для теории гироскопов, которые в какой-то степени противоречат современным взглядам на свойство вращающихся тел в частности движению вращающихся тел в неинерциальных системах отсчета.
   Сначала приведем теоретическое доказательство нашего уточнения, руководствуясь принципом, кашу маслом не испортишь. Для чего обратимся к мысленному эксперименту:
    В пространстве в инерциальной системе координат покоится сложное физическое тело, состоящее из аккумулятора электрической энергии, электродвигателя с маховиком на валу. На тело не действуют никакие внешние силы, следовательно, состояние покоя полностью отвечает первому закону Ньютона. То, что тело сложное , а не простое, не имеет ни какого значения, уж это-то, надеюсь, доказывать не нужно.
    Дальше, предположим, что произошло замыкание электрической цепи, и аккумулятор раскрутил ротор и статор электродвигателя. Обратим внимание читателей, что ротор и статор должны вращаться в разные стороны, так требует закон сохранения момента количества движения, который в сумме и до раскрутки и после должен остаться постоянным.
    Вполне очевидно, что центр масс нашего сложного тела и до раскрутки и после раскрутки сохранит изначальное состояние, то есть останется неподвижным относительно инерциальной оси отсчета, так требует закон сохранения количества движения. А вот для доказательства теоремы методом от противного, предположим, каждая из вращающихся частей нашего тела подверглась действию некой силы неизвестной природы.  Так как статор и ротор вращаются в противоположные стороны, но относительно общей оси, то и действие сил будет направлено в разные стороны так, что возникнет некий момент вращения всего тела относительно произвольной оси. Но, тот же закон сохранения момента количества движения такого вращения допустить не может, это приведет к его нарушению.
    Следовательно, мы установили, что при раскрутке тела на его вращающиеся части никакие силы неизвестной природы не действуют, центробежная сила не в счет, она является внутренней силой, как для статора, так и для ротора.
      В итоге, как следствие первого закона Ньютона, мы можем записать:
   Все тела, в том числе и вращающиеся, подчиняются первому закону Ньютона в инерциальной системе отсчета.
     А теперь рассмотрим все ту же задачу со сложным телом, но уже в неинерциальной системе отсчета, например, сложное тело покоится на поверхности Земли.
      Докажем, что и после раскрутки  не только центр масс нашего тела останется покоиться относительно поверхности Земли, то есть относительно неинерциальной системы отсчета, но и ось вращения сохранит свое первоначальное положение. Правда, мы должны уточнить, что до раскрутки испытуемое тело находилось в состоянии равновесия,  силу притяжения Земли уравновешивала реакция опоры, то есть эти силы действовали по оси будущей раскрутки, и  ось проходила не только через точку опоры, но и через центр тяжести Земли.
    Так вот мы уточнили, что тело до раскрутки находилось к поверхности Земли в состоянии равновесия. Проведем мысленную раскрутку.  Раньше мы установили, что в инерциальной системе отсчета, тело и после раскрутки сохраняет состояние покоя как центра масс, так и положения оси вращения.
      В неинерциальной системе координат, на тело как до раскрутки так и после раскрутки дополнительно действует внешняя сила притяжения Земли, но она уравновешивается реакцией опоры. После раскрутки, ни величина, ни направление действия сил притяжения и реакции опоры не претерпели изменений. Следовательно, и после раскрутки вращающиеся части сложного тела сохранят положение равновесия относительно Земли и не приобретут какого-либо дополнительного движения.
   А значит:
   Первый закон Ньютона справедлив для вращающегося тела не только в инерциальной системе отсчета, но и в неинерциальной, но относительно этой неинерциальной системы.
    Иначе говоря:
     Если какое-то тело в неинерциальной системе отсчета находилось в состоянии покоя относительно неинерциальной системы отсчета, то и после раскрутки оно не только сохранит состояние покоя центра масс, но и положение оси раскрутки.
     Таким образом, мы через первый закон Ньютона строжайшим образом вывели главный закон гироскопа:
     Все гироскопы, ось вращения которых расположена вертикально к поверхности Земли, могут сохранять это устойчивое положение вращения бесконечно долго, если трением в точке опоры можно пренебречь и на гироскоп не действуют другие внешние силы кроме силы тяжести Земли и реакции опоры.
     Приведем еще одну формулировку первого закона инерции для гироскопов:
    Если гироскоп получил извне только вращающий момент относительно одной из осей, то он сохранит первоначальное состояние (до раскрутки) относительно других осей координат. Закон справедлив как для инерциальной системы координат, так и для неинерциальной. Например, если ось раскрутки гироскопа покоилась относительно поверхности Земли, то и после раскрутки гироскопа относительно этой оси, ось вращения гироскопа сохранит состояние покоя относительно Земли, то есть останется в прежнем состоянии.
                7. 01. 2019г.


Рецензии
Существующая теория гироскопов, где говорится, что ось вращения раскрученного гироскопа должна быть неподвижна относительно звезд, не верна, она нарушает законы Ньютона. Эта статья подробнейшим и обстоятельным образом доказала данное утверждение.
Что касается звезд, то только в космосе на достаточном удалении от Земли ось раскрученного гироскопа будет ориентироваться на звезды.

Владимир Ерашов   23.04.2023 17:58     Заявить о нарушении
На это произведение написаны 3 рецензии, здесь отображается последняя, остальные - в полном списке.