Warto przeczytać

Siła bezwładności jest tzw. siłą pozorną wykorzystywaną do opisu ruchu ciał w układach nieinercjalnychukład nieinercjalnyukładach nieinercjalnych, które poruszają się z przyspieszeniem względem układów inercjalnychukład inercjalnyukładów inercjalnych.

Przykłady takich układów to m.in. rozpędzający się lub hamujący pociąg, kręcąca się karuzela, a nawet krążący wokół Ziemi Księżyc. W pierwszym z wymienionych układów pojawienie się siły pozornej jest związane ze zmianą wartości wektora prędkości, a w drugim i trzecim - ze zmianą kierunku tego wektora. W tym e‑materiale będziemy się zajmowali siłami pozornymi należącymi do pierwszej z tych kategorii, czyli powstającymi na skutek zmiany wartości wektora prędkości. Takie siły nazywa się czasem siłami d'Alemberta lub po prostu siłami bezwładności. Siły pozorne, których istnienia doświadczają spoczywające ciała w układach wykonujących ruch obrotowy, to tzw. siły odśrodkowe. Warto jednak wiedzieć, że - oprócz wymienionych - mogą jeszcze istnieć inne rodzaje sił pozornych. Ciekawym rodzajem siły pozornej jest tzw. siła Coriolisa, która działa na ciała poruszające się w obracających się układach nieinercjalnych. Skutki występowania tej siły, wynikające z obrotowego ruchu Ziemi, są doskonale widoczne (Rys. 1.).

RwT9soZcbX1g4

Rys. 1. Przedstawiono satelitarne zdjęcie (widzianego z góry) huraganu. Huragan wygląda jak zwinięta z chmur "rolada".

Dlaczego siłę bezwładności nazywamy pozorną? Otóż dlatego, że rzeczywiste (czyli  nie pozorne) siły są miarą oddziaływania między ciałami. Fizyka wyróżnia cztery podstawowe rodzaje oddziaływań: grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe i silne (zwane często mylnie jądrowymi). Siła bezwładności nie jest związana z żadnym z tych oddziaływań. Ponadto, ponieważ nie można wskazać źródeł jej pochodzenia, nie spełnia ona trzeciej zasady dynamiki Newtonatrzecia zasada dynamiki Newtonatrzeciej zasady dynamiki Newtona, tj. zasady akcji i reakcji.

Siła bezwładności jest więc jedynie matematyczną koncepcją, która ułatwia opis ruchu ciał w układach nieinercjalnych. Pierwotnym i mającym fizyczne znaczenie obiektem jest tu przyspieszenie.

Siłę tę zapisuje się wzorem

gdzie $\vec{a}$ jest przyspieszeniem, z jakim porusza się układ nieinercjalny względem dowolnego układu inercjalnego, $m$ jest masą ciała, na które działa siła w tym układzie. Znak minus wskazuje, że zwrot siły bezwładności jest przeciwny do zwrotu wektora przyspieszenia układu. Więcej informacji na temat tej siły można znaleźć np. w e‑materiale pt. „Co to jest siła bezwładności i jakie są jej cechy?”.

W jaki sposób możesz zaobserwować działanie siły bezwładności w swoim otoczeniu? To proste! Do tego celu wystarczy dowolny układ nieinercjalny, którym może być nawet Twoje ciało. Proponujemy Ci doświadczenie z użyciem wagi łazienkowej (Rys. 2.). Stań nieruchomo na wadze i zanotuj jej wskazanie. Następnie szybko kucnij i ponownie wyprostuj się, cały czas obserwując wskazania wagi. Czy pozostają one niezmienne? Jeśli zmieniają się, to w jaki sposób? Czy jesteś w stanie wyjaśnić obserwowane efekty? Odpowiedź znajdziesz poniżej.

R8XCGI5eXyVjq

Rys. 2. Zdjęcie, widok z góry, przedstawia wagę łazienkową i stojącego na niej człowieka. Widoczne są bose stopy stojące na platformie wagi.

Gdy kucasz, wskazania wagi maleją względem wartości, które można odczytać, gdy stoimy nieruchomo. Podczas wstawania obserwujemy przeciwny efekt. Dzieje się tak, ponieważ wykonywany pomiar nie jest bezpośredni. Odbywa się on pośrednio, przez pomiar siły nacisku ważonego obiektu na wagę. Spójrz na Rys. 3. Zaznaczyliśmy na nim wszystkie siły działające na ważącą się osobę oraz siłę nacisku $\vec{N}$, z jaką ta osoba działa na wagę. Zaznaczmy to wyraźnie: wskazania wagi zależą właśnie od wartości siły $\vec{N}$.

R1Z6AofIx2L9R

Rys. 3. Rysunek po lewej, opisany jako SPOCZYNEK, przedstawia czarną schematyczną sylwetkę człowieka, na którego pionowo w dół działa siła grawitacji pokazana w postaci czerwonego wektora opisanego wielką literą F z indeksem dolnym małe g równa się małe m razy małe g. W wyniku działania tej siły sylwetka działa na podłoże pionowo w dół siłą nacisku o tej samej wartości, przedstawiona w postaci zielonego wektora opisanego wielką literą N równa się małe m razy małe g. W wyniku tego, zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona podłoże działa na sylwetkę siłą reakcji przedstawioną w postaci niebieskiego wektora opisanego wielką literą R równa się minus wielkie N. Siła reakcji ma ten sam punkt przyłożenia, kierunek i wartość, co siła nacisku, ale przeciwny do niej zwrot.
Rysunek pośrodku, opisany jako KUCANIE przedstawia czarną schematyczną sylwetkę człowieka, na którego pionowo w dół działa siła grawitacji pokazana w postaci czerwonego wektora opisanego wielką literą F z indeksem dolnym małe g równa się mała litera m razy mała litera g. Oprócz tego, na sylwetkę działa również siła bezwładności skierowana pionowo w górę, przedstawiona w postaci pomarańczowego wektora opisanego wielką literą F z indeksem dolnym małe b równa się minus mała litera m razy mała litera a. W wyniku działania wypadkowej z tych sił sylwetka działa na podłoże pionowo w dół siłą nacisku, równą sumie geometrycznej siły grawitacji i siły bezwładności, przedstawiona w postaci zielonego wektora opisanego wielką literą N równa się małe m razy w nawiasie małe g minus małe a. W wyniku tego, zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona podłoże działa na sylwetkę siłą reakcji przedstawioną w postaci niebieskiego wektora opisanego wielką literą R równa się minus wielkie N. Siła reakcji ma ten sam punkt przyłożenia, kierunek i wartość co siła nacisku, ale przeciwny do niej zwrot.
Rysunek po prawej, opisany jako WSTAWANIE przedstawia schematyczną czarną sylwetkę człowieka, na którego pionowo w dół działa siła grawitacji przedstawiona w postaci czerwonego wektora opisanego wielką literą F z indeksem dolnym małe g równa się mała litera m razy mała litera g. Oprócz tego na sylwetkę działa również siła bezwładności skierowana pionowo w dół, przedstawiona w postaci pomarańczowego wektora opisanego wielką literą F z indeksem dolnym małe b równa się minus mała litera m razy mała litera a. W wyniku działania wypadkowej z tych sił sylwetka działa na podłoże pionowo w dół siłą nacisku, równą sumie geometrycznej siły grawitacji i siły bezwładności, przedstawiona w postaci zielonego wektora opisanego wielką literą N równa się małe m razy w nawiasie małe g minus małe a. W wyniku tego zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona podłoże działa na sylwetkę siłą reakcji przedstawioną w postaci niebieskiego wektora opisanego wielką literą R równa się minus wielkie N. Siła reakcji ma ten sam punkt przyłożenia, kierunek i wartość, co siła nacisku, ale przeciwny do niej zwrot.

Gdy nieruchomo stoisz na wadze, działającą na Ciebie siła ciężkości $\vec{F}_g$ powoduje powstanie nacisku $\vec{N}$ na wagę. Reakcją na tę siłę jest siła $\vec{R}$, z jaką waga działa na Ciebie. Wszystkie te siły są co do wartości równe:

Gdy podczas ważenia zaczniesz kucać, z Twoim ciałem można związać układ przyspieszający w dół. Oprócz siły ciężkości zaczyna działać na Ciebie, skierowana w górę, siła bezwładności $\vec{F}_b$, która powoduje zmniejszenie wartości siły nacisku na wagę,

a rezultacie również zmniejszenie wskazywanej „masy” - cudzysłów stąd, że waga „nie wie”, że efekt związany ze zmniejszeniem nacisku jest spowodowany działaniem dodatkowej siły i podaje wartość masy przy założeniu, że wartość siły nacisku jest nadal równa jedynie sile ciężkości. W przypadku, gdy wstajesz, sytuacja jest odwrotna. Siła bezwładności skierowana jest w dół i powoduje zwiększenie wartości siły nacisku:

Słowniczek