2.2: Інерційна (вільно плаваюча) рамка

Last updated
Save as PDF

Page ID: 77654

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

до побачення з «силою тяжіння»

Про простоту руху на космічному кораблі легко говорити. Важко думати про однаково прості умови на поверхні Землі (рис.\(\PageIndex{1}\)). Причину для занепокоєння шукати не за горами. Ми відчуваємо це щодня, кожну хвилину, кожну секунду. Ми називаємо це гравітацією. На ній зображений в дузі куля, перекинутий по всій кімнаті (рис.\(\PageIndex{2}\), зліва). Як хтось може протистояти математичній кривій, як ця дуга, і не потрапити знову в той звивистий слід думки, який вів від стародавніх греків до Галілея до Ньютона? Вони думали про гравітацію як про силу, що діє через простір, як щось таємниче, як щось, що потрібно було «пояснити».

**Малюнок**\(\PageIndex{1}\): Японський центр мікрогравітації (JAMIC) встановлений на покинутій вугільній шахті глибиною 710 метрів у невеликому містечку Камісунагава на північному острові Хоккайдо, Японія. Капсула, що несе експериментальний апарат, забезпечує вільну рамку протягом 10 секунд, оскільки вона падає на 490 метрів через вертикальну трубку, досягаючи максимальної швидкості майже 100 метрів/секунду. Керується двома безконтактними магнітними підвісками уздовж трубки. Вертикальна трубка не евакуйована; вниз тягнуть газові струмені на капсулі компенсують опір повітря, коли капсула падає. Капсула сповільнюється на додатковій відстані 200 метрів біля дна трубки опором повітря після відключення двигунів з подальшим механічним гальмуванням. Двадцять метрів прокладочного матеріалу в самому низу трубки забезпечують аварійну зупинку. Падаюча капсула має довжину майже 8 метрів і майже 2 метри в діаметрі з масою 5000 кілограмів, включаючи 1000 кілограмів експериментального обладнання, що міститься у внутрішньому циліндрі\(1.3\) метрів в діаметрі та\(1.8\) метрах завдовжки. Простір між капсулою і експериментальним циліндром евакуюється. Внутрішній експериментальний циліндр звільняється безпосередньо перед самою зовнішньою капсулою. Оптичний моніторинг вертикального положення внутрішнього циліндра запускає штовхаючі вниз двигуни, якщо це необхідно для подолання опору повітря. Таким чином, сам експериментальний циліндр діє як внутрішня «совість», гарантуючи, що капсула приймає той же курс, що б вона прийняла погано і опір, і тяга були відсутні. Результат? Практично вільно плаваючий кадр, з максимальним прискоренням\(1.0 \times 10^{-4} \mathrm{~g}\) в експериментальній капсулі, де\(g\) відбувається прискорення гравітації на поверхні Землі. Експерименти, проведені на цьому об'єкті, виграють від умов «відсутність тиску повітря, відсутність конвекції ударів, відсутність плавучості або потопаючої плавучості, відсутність опору руху», а також набагато меншої вартості та меншої шкоди навколишньому середовищу, ніж ті, хто бере участь у запуску та моніторингу супутника Землі. Установка розрахована на проведення 400 крапель на рік, з експериментами, такими як формування великих надпровідних кристалів, створення сплавів матеріалів, які нормально не змішуються, вивчення переходів між газовою і рідкою фазами і горіння під нульовим g. (Див. також рис. 9-2.)

**Малюнок**\(\PageIndex{2}\): **Ілюзія і реальність.** Один і той же куля, кинутий з одного і того ж кута тієї ж кімнати в одному напрямку з однаковою швидкістю, видно, зазнає дуже різних рухів залежно від того, реєструється він спостерігачем з підлогою, що штовхається проти біс ніг, або спостерігачем у «вільному падінні» («вільний поплавок») у будинку, розпиленому безкоштовно. зі скелі. В обох описах куля надходить в одне і те ж місце-відносно Матінки-Землі - в одну мить. Нехай кожна кулька бризкає струменем чорнила на стіну, на яку ми дивимося. Отриманий запис настільки ж чіткий для дуги, як і для прямої. Дуга реальна, а ілюзія прямої лінії? Або пряма лінія реальна і дуга ілюзія? Ейнштейн каже нам, що два чорнильні сліди однаково дійсні. Ми маємо лише бути чесними і сказати, чи є будинок, стіна та описник руху у вільному плаванні або чи описувач постійно відганяється від стану вільного плавання поштовхом проти ніг. Ейнштейн також говорить нам, що фізика завжди виглядає найпростішою у вільному режимі. Нарешті, він говорить нам, що кожен по-справжньому локальний прояв «гравітації» можна усунути, спостерігаючи рух з системи відліку, яка знаходиться у вільному плаванні.

Ейнштейн висунув революційно нову ідею. Усуньте гравітацію!

Де криється причина вигнутого шляху кулі? Це м'яч? Це якась загадкова «сила тяжіння»? Ні, Ейнштейн не каже нам. Саме з вини глядачів - і вина статі, яка змушує нас відійти від природного стану руху: стану вільного падіння, а краще покладеного, вільного плавання. Зніміть підлогу, і наш рух відразу стане природним, легким, вільним від гравітаційних ефектів.

Нехай кімната буде розрізана, в той момент кидаємо кульку похило вгору із західного боку на рівні підлоги (рис.\(\PageIndex{2}\), праворуч). М'яч має такий же рух, як і раніше. Однак рух виглядає інакше. Це виглядає інакше, тому що ми, хто дивиться на нього, знаходяться в іншій системі відліку. Ми знаходимося у вільному плаваючому кадрі. У цій вільній рамці м'яч має прямолінійний рух. Що може бути простіше?

Навіть коли кімната не була відрізана від обриву, підлогу не впливав на повітряний політ м'яча. Але підлога вплинула на нас, хто спостерігав за польотом. Пол змусив нас відійти від нашого природного руху, руху вільного падіння (free float). Ми звинувачували вигнуту траєкторію кулі на «силу тяжіння», що діє на м'яч. Натомість ми повинні були звинувачувати підлогу в її силі, що діє на нас. А ще краще позбутися від підлоги, зрізавши будинок подалі від обриву. Тоді наша точка зору стає природною: входимо в фрі-фрейм. У нашому free float кадрі м'яч летить прямо.

У чому винна сила на ногах?
Що штовхає ноги вниз на підлогу?
Каже Ньютон, розлом в ядрі Землі.
Ейнштейн каже, що вина з підлогою;
Видаліть, що і гравітація бити!

— Френсіс Таун Румль

Як людство могло прожити стільки століть, не усвідомлюючи, що «дуга» - це зайве відволікання, що ідея локальної «гравітації» зайва — вина спостерігача за те, що він не домовляється дивитися на справи з умови вільного плавання?

Навіть сьогодні ми інстинктивно віддаємося від досвіду free float. Ми з компаньйоном їдемо в падаючу кімнату, яка не врізається об землю, а опускається в довгий вертикальний тунель, виритий для цього уздовж північно - південної осі Землі. Наш супутник настільки наповнений жахом, що він не цікавиться нашими експериментальними висновками про вільне плавання. Він в жаху схоплює дверний косяк. «Ми падаємо!» він вигукує. Його страх перетворюється на здивування, коли ми говоримо йому не хвилюватися.

«Вал був потоплений через Землю», - говоримо ми йому. «Це не падіння, яке завдає шкоди нікому, а те, що зупиняє падіння. Всі перешкоди були прибрані з нашого шляху, в тому числі повітря. Вільне падіння, - запевняємо його, - це найбезпечніший стан. Ось чому ми називаємо це вільним плаванням».

«Ви можете назвати це плаваючим», - каже він, - але я все ще називаю це падінням».

«Зараз такий спосіб говорити може здатися розумним, - відповідаємо ми, - але після того, як ми пройдемо центр Землі і почнемо наближатися до протилежної поверхні, чи не здасться слово «падіння» досить недоречним? Чи не могли б ви тоді віддати перевагу слову «плавати»?» І з «поплавком» наш супутник нарешті задоволений. ¹

Що ми обидва бачимо? Невагомість. Вільний поплавок. Рух по прямій лінії і з рівномірною швидкістю для мармуру, копійки, ключі та кулі у вільному русі в будь-якому напрямку в межах нашого подорожі додому. Ніяких поштовхів. Ніяких здригнень. Ніяких потрясінь ні в якому разі у всьому довгому шляху від одного боку Землі до іншого.

Для наших предків подорожі в космос були мрією, що не реалізується. Однаково поза межами нашої досяжності сьогодні мрія про будинок, що пливе уздовж тунелю через Землю, але ця мрія, тим не менш, висвітлює простоту руху у вільному плавучому кадрі. Враховуючи необхідні умови, ніщо, що ми спостерігаємо всередині нашої мандрівної кімнати, не дає нам найменшої можливості розрізнити різні фрейми з вільним плаванням: один трохи над поверхнею Землі, другий проходить через надр Землі, третина у крайніх межах космосу. Плаваючи всередині будь-якого з них, ми не знаходимо жодних доказів наявності «гравітації».

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Зачекайте хвилинку! Якщо ідея місцевої «гравітації» зайва, чому мій олівець починає падати, коли я його сміливо в повітрі і відпускаю? Якщо немає гравітації, мій олівець повинен залишатися в стані спокою.

Примітка

І тому він залишається в стані спокою - як це спостерігається з free float кадру! Природний рух вашого олівця полягає в тому, щоб залишатися в стані спокою або рухатися з постійною швидкістю у вільному обсязі. Так що не корисно запитати: «Чому олівець починає падати, коли я відпускаю?» Більш корисне питання: «Перш ніж відпустити, чому я повинен прикладати висхідну силу, щоб тримати олівець у спокої?» Відповідь: Тому що ви робите спостереження з неприродного кадру: один тримається нерухомим біля поверхні Землі. Видаліть цей фіксований трюм, скинувши кімнату зі скелі. Тоді для вас «гравітація» зникає. Для вас не потрібно ніякої сили, щоб тримати олівець у стані спокою у вільному плаванні кадру. Земна тяга нерівномірна: Великий космічний корабель не є вільним поплавком кадру.

1 Вільний поплавок через Землю