Warto przeczytać

Siła bezwładnościsiła bezwładnościSiła bezwładności jest tzw. siłą pozorną. Jej pozorność wynika z dwóch powodów – po pierwsze, nie można przypisać jej żadnego znanego oddziaływania fizycznego (grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe, jądrowe), które by ją wywoływało. Po drugie – nie spełnia ona III zasady dynamiki Newtona, znanej jako zasada akcji i reakcji. Mówi ona, że jeżeli ciało 1 działa na ciało 2 pewną siłą, to ciało 2 działa na ciało 1 taką samą siłą, lecz skierowaną przeciwnie. Prawdą bowiem jest, że jeśli na ciało działa siła bezwładności, to ciało to nie działa na żadne inne siłą reakcji dla siły bezwładności.

Siły bezwładności pojawiają się w układach nieinercjalnychukład nieinercjalnyukładach nieinercjalnych, tj. takich, które poruszają się z pewnym przyspieszeniemprzyspieszenieprzyspieszeniem. Oznacza to, że taki układ możemy związać z kosmonautą w startującej rakiecie (wtedy następuje głównie zmiana wartości wektora prędkości rakiety) lub z ubraniem w wirującej pralce (wtedy na pewno zmianie ulega kierunek prędkości ściany bębna). Jak wskazuje ich nazwa,  siły bezwładności są związane z bezwładnością danego ciała – czyli jego „skłonnością” do „utrzymywania” swojego ruchu.

R188mYogbsffL

Rys. 1. Zdjęcie wykonano podczas startu rakiety kosmicznej. Przedstawiona jest pionowo startująca rakieta kosmiczna Sojuz‑FG. Rakieta ma kształt wydłużonego, pionowego cylindra z ostrym dziobem u góry i silnikami w dolnej części. Rakieta jest koloru jasnoszarego z elementami ciemnej szarości i pasem pomarańczowym.. W chwili startu, rakieta unosi się już nieco nad powierzchnią Ziemi, z jej silników wydobywają się spalane gazy powstałe w wyniku spalania paliwa. Rakieta startuje z kosmodromu Bajkonur, usytułowanego na trawiastej równinie w Kazachstanie.

Także Ziemia jest układem nieinercjalnym gdyż wiruje wokół własnej osi, a ponadto porusza się po elipsie wokół Słońca. Efekty związane z nieinercjalnością ziemskiego układu są jednak niewielkie w większości naszych codziennych obserwacji. Dlatego w praktycznych zastosowaniach zakładamy, że Ziemia jest układem inercjalnymukład inercjalnyukładem inercjalnym.

Demonstracją nieinercjalności układu związanego z Ziemią jest np. ruch wahadła Foucaulta [czyt. fuko, akcentuj ostatnią sylabę]. Zwykle, obserwując ruch wahadła (np. w starym zegarze czy huśtawce zbudowanej z opony na sznurku), widzimy jedynie jego wahania w lewo i w prawo, które zachodzą w ustalonej pionowej płaszczyźnie. Wahadło Foucaulta składa się z długiego (zwykle kilkanaście‑kilkadziesiąt metrów) ramienia zakończonego ciężarkiem o dużej masie (kilkadziesiąt, a nawet kilkaset kilogramów). Takie parametry wynikają z konieczności zmniejszenia wpływu oporu powietrza na ruch wahadła, tak, by mogło ono wahać się jak najdłużej.

R1Zg8zyOWwjVi

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia wahadło Foucaulta znajdujące się w Centrum Nauki Kopernik w Warszawie. Pokazana jest, zawieszona na długiej cienkiej stalowej lince, żelazna kula. Kula jest odchylona od położenia równowagi i wykonuje ruch wahadłowy. Pod wahadłem umieszczona jest okrągła, pozioma tarcza ze srebrnym środkiem i białym obwodem. Na obwodzie tarczy zamocowano znaczniki w postaci poziomych, czarnych linii rozchodzących się promieniście od środka tarczy. Znaczników jest trzysta sześćdziesiąt i wskazują kąt z dokładnością do jednego stopnia. Wahadło Foucaulta podczas działania odchyla się od pierwotnej płaszczyzny ruchu. Jest to spowodowane ruchem obrotowym Ziemi wokół własnej osi.

Obserwując przez dłuższy czas z ziemskiego układu odniesienia wahadło Foucaulta, bylibyśmy w stanie zaobserwować ciągłą zmianę płaszczyzny drgań (a nawet wywnioskować, że nie jest to płaszczyzna!). Jeśli na początku obserwacji wahadło poruszałoby się prostopadle do linii naszego wzroku, to po pewnym czasie ten kąt zmieniłby się. Dzieje się tak, ponieważ Ziemia cały czas wiruje (a my, jako obserwatorzy wahadła, wraz z nią). Samo wahadło cały czas utrzymuje swoją płaszczyznę drgań, dlatego też ziemskiemu obserwatorowi będzie się wydawać, że to wahadło cały czas się obraca. Aby opisywany efekt miał miejsce, punkt zaczepienia wahadła musi być związany z układem inercjalnym. Nie może zatem być bezpośrednio ,,połączone’’ z wirującą Ziemią – czyli np. sufitem budynku, gdzie zostało zawieszone. W tym celu wahadło zawiesza się np. na obrotowych łożyskach, a dopiero te montuje się na suficie.

Siły bezwładności związane z ruchem dobowym Ziemi są także jednym z czynników powodujących tworzenie się cyklonów (czyli wirujących mas powietrza), a także odchylenie kierunku wiatrów wiejących w strefie międzyzwrotnikowej, zwanych pasatami. Możemy też powiedzieć, za co siły bezwładności nie są odpowiedzialne – wbrew dość powszechnie panującemu poglądowi nie powodują one zmiany kierunku wirowania wody podczas wypuszczania jej z wanny. Opróżnianie wanny jest na tyle szybkim procesem, że siły bezwładności nie są w stanie wpłynąć na kierunek ruchu wody w zauważalnym stopniu.

Powyżej przedstawione przykłady dotyczyły działania sił bezwładności w układach nieinercjalnych poruszających się ruchem obrotowym. Możemy oczywiście podać również przykłady takiego działania dla układów przyspieszających lub hamujących bez zmiany kierunku ruchu. Takie przykłady to bagaż wypadający z półki w chwili ruszania pociągu, odchylanie się pasażerów jadących autobusem przeciwnie do kierunku przyspieszenia pojazdu, czy wreszcie „wyrzucenie rowerzysty do przodu” przez kierownicę w sytuacji, gdy rower gwałtownie zahamuje.

Jednak by zademonstrować działanie siły bezwładności, nie musisz wykonywać aż tak drastycznych eksperymentów. Czasami wystarczy prosta obserwacja: jadąc autobusem, zwróć uwagę na umieszczone w nim uchwyty dla stojących pasażerów. Przyjrzyj się, jak uchwyty odchylają się od pionu w chwili, gdy autobus przyspiesza lub hamuje. Możesz też zbudować prosty układ składający się z ciężarka zawieszonego na sznurku. Drugi koniec sznurka należy podwiesić do sufitu pojazdu. Uzyskujesz w ten sposób najprostszy wskaźnik pokazujący, czy Twój układ odniesienia jest inercjalny, czy nie.

Słowniczek