Почему вместо интересных вещей и полезных лайфхаков для инженеров-практиков, которых я знаю тысячи, причём в разных отраслях, я пишу о каких-то канонах физики и ненужной философии. Философия ненужной не бывает, без её знаний успехов в познании истины не будет. Без неё как в лесу без компаса. Но наверное сейчас в современном мире правильнее будет сказать: « как в лесу без навигатора».
Поэтому давайте сначала освоим азы материалистической неоклассической физики, чтобы избежать лишних ненужных вопросов в будущем. И прежде всего, поговорим о системах отсчёта. Эйнштейн был неправ, равноправных инерциальных систем отсчёта не бывает, совсем не бывает, только в самом грубом приближении мы можем считать систему инерциальной. Движущийся без ускорения поезд, который движется по Земле, может быть инерциальной системой, если пренебречь, что земля круглая и что она вертится.
Самая простая система отсчёта с древности - это поверхность Земли. Её можно считать инерциальной с очень большой натяжкой. Движущийся без ускорения поезд по поверхности земли или корабль по морю, тоже равноценная инерционная система. Здесь очень легко измеряются расстояния, просто линейкой или рулеткой. Центробежные ускорения из-за вращения Земли с избытком уравновешиваются силой тяжести, поэтому
точный вес зависит от широты места. Чем ниже широта тем больше расстояние от оси Земли и тем больше центробежное ускорение и меньше вес. Поэтому золото на электронных пружинных весах не надо взвешивать, покупая его у африканцев. Вы их обманете, если не перетарируете свои весы, на экваторе всё весит легче. Но для нашей простой системы отсчёта ускорение свободного падения принимаем 9,8 м\с^2 или даже 10 м\с^2. В этой системе отсчёта игнорируются: суточные колебания ускорения свободного падения, сила Кориолиса, высота над уровнем моря места, атмосферное влияние (давление, сила Архимеда). Погрешность измерения по широте, g – 0,4% от 9,78 на экваторе до 9,82 на полюсе и 0, 025 % суточные приливные колебания. Суммарная квадратичная погрешность расчётов в инерциальных системах составляет около одного процента. И этого иногда вполне достаточно, Это обычно задачи сопромата и теормеха.
Что нужно знать о переходе от одной системы к другой. Сумма кинетической энергии тел при переходе от одной инерциальной системы к другой не сохраняется. Энергия, как говорится, не инвариантна. Но не импульс. Сумма импульса не меняется
Давайте проверим это на примере двух одинаковых движущихся по столу навстречу друг другу бильярдных шаров на корабле. Их энергия равна и в сумме равна
Ek1 = mV^2.
Перейдём к другой системе отсчёта связанной с водой, если корабль движется со скоростью V’ по той же оси, что и шары. Суммарная энергия двух шаров в новой системе
Ek2 = m(V-V’)^2/2 + m(V+V’)^2/2
Ek2 = m(V^2-2VV’ + V’^2)/2 + m(V^2+2VV’ + V’^2)/2
Ek2 = m(V^2+ V’^2)
Но если мы хотим узнать энергию относительно земли, то можем просто добавить V’’^2 скорость течения воды, поскольку суммы проекций на оси, как суммы квадратов катетов равны квадрату гипотенузы. И в первом случае можно было считать, что формула не зависит о направления скоростей шаров и корабля. Наши предки отлично знали, что сложение скоростей гораздо больше, чем сложение энергий. Вот примеры использования увеличения энергии без лишних затрат:
1. Метание копья с колесницы. Если воин стоя метает копьё со скоростью 10 м\с массой 5 кг с энергией 250 Дж, то при броске с колесницы со скоростью 5м\с копьё улетает со скоростью 15м\с энергией 560,25 Дж. Ведь m(V^2+2VV’ + V’^2)/2 энергия увеличивается на m (2VV’ + V’^2)/2 или mVV’ + mV’^2/2 = 5*10*5 + 5*5*5/2 =560,25
2. Резкое выпрямление руки при стрельбе из лука или рогатки
3. Ударом копьём на скаку с лошади
4. Удар кулаком от бедра в каратэ
5. Удар кулаком в прыжке
Для решения многих задач необходимо бывает перейти в другую систему отсчёта. Всё дело в том, что суммарная энергия сохраняется только в системе отсчёта связанной с центром масс. В других системах отсчёта энергия не сохраняется. Этот закон был выведен Лейбницем или Гюйгенсом, вникать в споры историков физики здесь мы не будем.
Этот закон можно вывести из законов Кеплера, из законов упругого соударения шаров, и даже просто из того, что на корабле вы можете играть в бильярд. Как видите, не все инерциальные системы равноценны, Эйнштейн ошибся с этим своим постулатом, впрочем, как и со всеми прочими. Многие ученые, уверовавшие в Эйнштейна, забыли о законе сохранения энергии как частном случае для замкнутой системы и центра масс и возвели энергию в ранг материи.
Для некоторых систем расчеты необходимо вести не в системе, связанной с землёй, а например, с воздухом, для самолёта, для снаряда и пули, для парашютиста. Но в воздухе реперов нет. Назовём координаты привязки к месту (N;W;H) трёхмерными декартовыми координатами исходной системы координат. Координаты в воздухе при наличии движения воздуха будут следующими, если известны проекции ветра на оси: ( N+Vn*t; W+Vw*t; H+Vh*t) Из воздушных координат можно вернуться обратно, обратным путём преобразования. Даже если проекции скорости ветра непостоянны во времени, по четырёхмерной матрице [Vn(t); Ww(t); Vh(t); t] мы можем вернуться обратно, интегрируя перемещения по отрезкам времени:
1.В системе отсчёта связанной с воздухом, пуля, самолёт, парашют, не сносится ветром, а испытывают сопротивление воздуха, такой расчёт намного проще и понятнее и легко может быть формализован. Пуля в этой системе отсчёта летит слегка боком и можно более точно оценить сопротивление воздуха и снос пули в системе связанной уже с землёй.
2.При прыжках на точность приземления, скорость ветра по высоте меняется, и решение задачи усложняется необходимостью постоянного уточнения направления и силы ветра.
Координаты в этом случае используются полярные (азимут, угол возвышения над горизонтом, абсолютная скорость).
3.Самолёт это отдельный случай, очень сложный, даже у АН-2 есть боковое и осевое скольжение при крене на тангаже и кабрировании. И эти смещения относительно воздуха должны учитываться. Мощность двигателя и тяга определяются для движителя всегда определяются относительно воздуха.
4.У автомобиля сопротивление воздуха главный параметр, хотя скорость вращения колёс определяется по земле. Эта неопределённость является источником популярных ошибок в расчётах. Поэтому правильнее использовать систему отчёта связанную с воздухом даже для автомобиля на колёсах, а не только для аэросаней
Пытаясь решать задачи физики, пренебрегая этими принципами, вы будете наблюдать серию необъяснимых парадоксов, которых очень много в Дзене,которые авторы приводят как опровержение законов физики. Физики-альтернативщики (да и физики профессионалы тоже) просто не знают законов физики потому, что в школе в учебниках физики для вузов нет правильной трактовки законов физики, открытых ещё в средние века, где-то примерно в 1680 году.