Fizyka dla liceum/Siła bezwładności

Wstęp

Zgodnie z I zasadą dynamiki Newtona w układach inercjalnych, kiedy siły działające na ciało równoważą się pozostaje ono w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Zupełnie odmienna sytuacja zachodzi w układach nieinercjalnych, gdzie ciało przyśpiesza za sprawą przyspieszenia układu, choć nie działają na nie żadne niezrównoważone siły. Gdy układ przekazuje ciału swoje przyśpieszenie pojawia się siła kontrreakcji zwana właśnie bezwładnością. Stąd jej zwrot przeciwny jest do zwrotu przyśpieszenia układu.

Bezwładność ciał jest to ich zdolność do przeciwstawiania się wszelkim zmianom ruchu.

${\vec {F_{b}}}=-m\cdot {\vec {a}}$

gdzie:

• ${\vec {F_{b}}}$ - siła bezwładności
• ${\vec {a}}$ - przyśpieszenie układu
• m - masa ciała

Wzór ten uwzględznia zwrot siły bezwładności.

W układzie nieinercjalnym nie sprawdzają się Zasady dynamiki Newtona, i jedynie wartość siły bezwładności oblicza się ze wzoru podobnego do tego z drugiej zasady dynamiki. Różnica między tymi wzorami jest związana z przyspieszeniem. Wzór Newtona w jego drugiej zasadzie dynamiki zawiera przyspieszenie ciała, na które działa siła. Wzór na siłę bezwładności zawiera przyspieszenie układu. Oba wzory zawierają masę ciała, na które działa siła.

Podróż windą

Dobrym przykładem ilustrującym występowanie siły bezwładności jest podróż windą. Kiedy rusza do góry z dużym przyspieszeniem czujemy się wbijani w podłogę. Z kolei gdy gwałtownie hamuje, że zaraz wzlecimy w powietrze. Podobnie jest ze zjeżdżaniem na dół. Kiedy winda zaczyna opadać, czujemy się unoszeni, zaś kiedy hamuje na dole, że "coś przyciska nas do podłogi". Dzieje się tak za sprawą działającej na nas siły bezwładności.

Analizując dane przykłady zastanówmy się jak zależy zwrot siły bezwładności od zwrotu przyspieszenia i prędkości.

W przypadku jazdy w górę:

• winda rusza - wektor przyspieszenia (ruch przyśpieszony) oraz prędkości windy skierowane ku górze, wektor bezwładności ku dołowi ("wbijanie w ziemię")
• winda hamuje - wektor przyśpieszenia windy skierowany ku dołowi (ruch opóźniony), wektor prędkości windy skierowany ku górze (bo winda mimo wszystko jedzie do góry), wektor siły bezwładności ku górze ("odrywamy się od podłogi")

Na tych dwóch przykładać widać już wyraźnie, że wektor prędkości nie wpływa na zwrot siły bezwładności. Wszak w obu przypadkach skierowany był ku górze, a zwrot siły bezwładności zmieniał się. Jasno dostrzegalny jest za to związek między zwrotem przyspieszenia a zwrotem siły bezwładności.

Siła bezwładności działa przeciwnie do zwrotu przyśpieszenia

W ramach powtórzenia i lepszego zrozumienia zagadnienia spróbuj samodzielnie przeanalizować zwroty prędkości, przyśpieszenia i siły bezwładności podczas jazdy w dól.

Siły pozorne

Jak już mówiliśmy we wstępie siła bezwładności ściśle związana jest z układami nieinercjalnymi - takimi, w których ciało przyśpiesza ponieważ przyśpiesza układ odniesienia.

Gdy stojący samochód gwałtownie zaczyna się poruszać czujemy się wbijani w oparcie fotela. Jednak raz wprawiona w ruch maszyna poruszająca się ruchem jednostajnym nie wywołuje już takich reakcji. Dlaczego? Dzieje się tak ponieważ w pierwszym przypadku znajdujemy się w układzie odniesienia posiadającym własne przyśpieszenie, a co za tym idzie nadającym nam siłę pozorną. Gdy układ przekazuje nam swoje przyśpieszenie pojawia się siła bezwładności - kontrreakcji. Jest ona skierowana przeciwnie do zwrotu przyśpieszenia układu.

Do sił pozornych należy nie tylko bezwładność ale też siła odśrodkowa występująca gdy ciało znajduje się w układzie, który porusza się po łuku. Układ poruszający się po okręgu należy do układów nieinercjalnych, gdyż występuje w nim przyśpieszenie odśrodkowe. Sam układ porusza się z przyspieszeniem dośrodkowym.

Efekt Coriolisa

Efekt Coriolisa podobnie jak siła bezwładności działa jedynie w układach nieinercjalnych. Dla obserwatora znajdującego się w obracającym się układzie odniesienia tor ruchu ciał znajdującego się w tym samym układzie jest zakrzywiony. Dzieje się tak za sprawą pozornej siły Corolisa.

Pierwsza ramka przedstawia obiekt z perspektywy obserwatora znajdującego się w obrotowym układzie. W drugim przypadku układ ukazany jest oczyma osoby pozostającej w bezruchu.

Siły w ruchu po okręgu

Działająca na ciało w układzie poruszającym się po łuku siła odśrodkowa to siła bezwładności, więc jest siłą pozorną. Siła odśrodkowa działa na ciała w nieinercyjnych układach odniesienia, które poruszają się po łuku. W najprostszym przypadku przyspieszenie takiego układu to przyspieszenie dośrodkowe. Ciało, z którym wiążemy taki układ porusza się po okręgu bo działa na nie siła dośrodkowa (np. siła tarcia działająca na samochód na rondzie lub siła grawitacji działająca na orbitujący statek kosmiczny). Siła dośrodkowa opisuje oddziaływanie dwóch ciał np. samochodu i jezdni lub statku kosmicznego i planety, wokół której ten statek krąży. Siła dośrodkowa nie jest siłą pozorną.