О физической природе инерции в неоклассической физике

В настоящее время понятие инерции преподаётся в школах как следствие закона инерции:

«Свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии действия на них других тел называют инерцией тел (от латинского слова inertia – бездеятельность, косность). Поэтому и указанный закон называют законом инерции, а движение при отсутствии действия на тело других тел называют движением по инерции.» [3, с.78].

Физический энциклопедический словарь дает следующее определение инерции:

«ИНЕРЦИЯ (или инертность) в механике – свойство материальных тел, находящее отражение в 1-м и 2-м законах механики. Когда внешние воздействия на тело (силы) отсутствуют или взаимно уравновешиваются. Инерция проявляется в том, что тело сохраняет неизменным состояние своего движения или покоя по отношению к так называемой инерциальной системе отсчета. Если же на тело действует неуравновешенная система сил, то свойство инерция сказывается в том, что изменение состояния покоя или движения тела, т. е. изменение скоростей его точек, происходит постепенно, а не мгновенно; при этом движение изменяется тем медленнее, чем больше инерция тела. Мерой инерции тела является его масса.» [2, c. 182].

Причём важно отметит, что в статье «Инерциальная система отсчёта» этого же словаря, указывается на то, что это понятие «и.с.о.» является абстрактным, то есть, это не физическая характеристика такого явления как «инерция», а вспомогательный математический инструмент, позволяющий соотносить между собой математические параметры различных объектов. Поэтому в неоклассической физике этот термин не используется, так как находится за пределами физической реальности, которую изучает и исследует неоклассическая физика /1/.

Непосредственно термин «инерция» ввёл в научный оборот Иоганн Кеплер в своём трактате «Воплощении астрономии Коперника» (1618–1621), где, в частности, отмечал:

«Ибо единый движитель [Солнце] одним своим вращением перемещает шесть планет… Следовательно, если бы планеты не обладали естественным сопротивлением фиксированной величины, то не было бы причин, по которым они не следовали бы точно за вращательным движением своего движителя и, таким образом, не совершали бы полный оборот вместе с ним за одно и то же время. Однако, хотя все они идут в том же направлении, в котором вращается движитель, ни одна не достигает в полной мере скорости движителя, и [, кроме того,] одна [планета] движется медленнее другой. Следовательно, они смешивают в определенной пропорции быстроту движителя с инерцией своей материи».

Только спустя 65 лет Ньютон обосновал изменение орбитальной скорости планет законом Всемирного тяготения, как величину обратно пропорциональную расстоянию планет от Солнца. То есть, Кеплер, как и его средневековые предшественники, считал «стремление к покою» (inclinatio in quietem) внутренним свойством тела, которое оно сохраняет и тогда, когда находится в движении. Свойственное телам, на поверхности Земли, стремление к покою Кеплер переносит на небесные объекты. Несмотря на то, что представление Кеплера оказалось ошибочным, Ньютон в своей механике, тем не менее, не только сохраняет понятие инерции, но и даёт ему физическую интерпретацию:

«Врожденная сила материи есть присущая ей способность сопротивления, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Пояснение:

«Эта сила всегда пропорциональна массе, и если отличается от инерции массы, то разве только воззрением на нее.

От инерции материи происходит, что всякое тело лишь с трудом выводится из своего покоя или движения. Поэтому «врожденная сила» могла бы быть весьма вразумительно названа «силою инерции» (vis inertiae). Эта сила проявляется телом единственно лишь когда другая сила, к нему приложенная, производит изменение в его состоянии. Проявление этой силы может быть рассматриваемо двояко: и как сопротивление и как напор.

Как сопротивление – поскольку тело противится действующей на него силе, стремясь сохранить свое состояние; как напор – поскольку то же тело, с трудом уступая силе сопротивляющегося ему препятствия, стремится изменить состояние этого препятствия. Сопротивление приписывается обыкновенно телам покоящимся, напор – телам движущимся. Но движение и покой, при обычном их рассмотрении, различаются лишь в отношении одного к другому, ибо не всегда находится в покое то, что таковым простому взгляду представляется.» (Ньютон, Математические основы натуральной философии. Определение III).

И Кеплер, и Ньютон, для определения сопротивления тела изменению его состояния, использовали латинское слово «inertia», которое означает – бездействие, лень, вялость, очевидно, противопоставляя это состояние стремлению тел к изменению их состояния. При этом Ньютон всё-таки отмечает, что инерция свойственна не только лени, бездеятельности, но и напору, который также требует значительных внешних усилий для его изменения. То есть в этом смысле под «инерцией» надо скорее понимать не лень, а некую безынициативность материи, её ригидность относительно своего исходного состояния предшествующее его изменению.

Ньютон, развивая идею Кеплера об инерции, как внутреннем свойстве материи, связывает её с массой тела и способностью к сопротивлению изменения своего состояния любым внешним силам, которые либо пытаются принудить это тело к движению, если оно находится в покое, либо каким-либо образом изменить его движение, если оно уже до этого двигалось. Эта интерпретация инерции и легла в основу его Первого закона механики, который устанавливает условие, при котором тело может бесконечно находиться в покое или равномерном движении, пока на него не будет воздействие каких-либо внешних сил.

Фактически формулировка инерции Ньютона, до настоящего времени не претерпела никаких изменений, и его Первый закон механики является базовым в понимании природы инерции.

Основным положением ньютоновского понимания инерции являются два основных фактора: масса тела и его способность к сопротивлению изменения своего состояния. Для того чтобы понять природу инерции надо прежде всего понять природу покоя и движения.

Покой – отсутствие движения.

Любое отсутствие движения может указывать на два фактора: отсутствие у тела энергии вообще, либо эта энергия находится в потенциальном состоянии в виде драсергии.

Например, предмет лежит на краю стола неподвижно. Для движения горизонтально у него нет потенциальной энергии, и пока предмет не приобретёт кинетический импульс, который передаст ему необходимую для движения энергию, он будет бесконечно долго лежать на этом месте. Но вот если из-под него резко убрать стол, предмет начнёт с ускорением падать в направлении центра Земли. То есть, всё это время пока он лежал неподвижно на столе, в нём была драсергия, которая при благоприятных условиях стала преобразовываться в кинергию. Движение этого тела будет продолжаться до тех пор, пока оно не встретит очередную преграду, например пол, который поглотит кинетическую энергию падающего тела, и оно снова обретёт покой, и соответствующую драсергию.

Итак, основная физическая характеристика покоя: либо полное отсутствие в теле (объекте) энергии, обеспечивающей его движение в Пространстве, либо эта энергия находится в нём в потенциальном состоянии драсергии.

Движение – отсутствие покоя.

Движение (отсутствие покоя) указывает только на одно единственное условие – тело имеет кинергию, то есть, оно каким-либо способом приобрело энергию под воздействием механического импульса, и эта энергия формирует движение тела (объекта) в направлении действия первичного импульса. Если при этом направление последовательных импульсов будет меняться оно будет двигаться по сложной траектории, определяемой направлениями импульсов, генерируемых энергию движения тела.

Из приведенного выше примера, неподвижного предмета на столе, мы видим, что для изменения состояния объекта должны быть реализованы условия: либо обретения необходимой энергии от внешних источников, либо устранение препятствий реализации собственной драсергии объекта. Иными словами, для реализации движения всегда должна присутствовать энергия в том или ином состоянии, либо в виде драсергии (потенциальной энергии), либо в виде кинергии (кинетической энергии).

Но в случае, если тело уже ранее приобрело энергию, и начало движение, под её действием внешняя среда, в которой осуществляется это движение, будет отбирать у тела энергию, которую оно расходует на движение.

В условиях Земли такие факторы явны (например, трение и плотность среды), но вот в условиях глубоко космоса их нет, и если исключить факт дискретности Пространства, то движение тел в условиях глубокого космоса должно быть бесконечным под воздействием единичного импульса. На это нам, например, указывает движение планет вокруг Солнца, изменение скорости движения которых современные средства наблюдения не отмечают, что даёт основание считать этот факт подтверждением Первого закона Ньютона: при отсутствии внешних факторов движение тел под воздействием первичного импульса продолжается бесконечно. Но вот наблюдение за движением фотонов от удалённых источников позволило выявить феномены «красного смещения» и «реликтового излучения», которые указывают на то: чем дольше фотон находится в состоянии движения, тем больше он за это время теряет энергии своего первичного импульса. И поскольку на его пути между источником и наблюдателем кроме Пространства ничего больше нет, то мы вынуждены сделать вывод о том, что эту энергию первичного импульса фотона поглощает само Пространство, и, следовательно, бесконечное движение под воздействие единичного импульса физически не возможно.

То, что мы, этот феномен поглощения энергии Пространством не наблюдаем на примере движения планет, связано лишь с их малой, по сравнению с фотоном скоростью движения. В этом случае совокупное поглощение энергии Пространством будет во столько раз меньше на единицу массы, во сколько раз меньше квадрат скорости движения планет по отношению к квадрату скорости движения фотонов. Для Земли это соотношение, например, равно 1,0*10^-14, поэтому мы и не наблюдаем её изменение скорости, в отличие от фотонов.

Итак, неоклассическая физика различает два вида инерции: инерция покоя и инерция движения.

Инерция покоя, характеризуется либо полным отсутствием в теле (объекте) энергии, либо, её присутствие только в виде драсергии. Для того чтобы вывести тело из состояния покоя необходимо передать ему советующее количество энергии, достаточное, чтобы оно смогло приобрести способность к движению, поэтому в этом процессе основную роль играет мощность первичного импульса. Если его мощность велика, то время изменения скорости движения тела от нуля до максимума минимально, например, время преодоления длины ствола для огнестрельного оружия. Если мощность первичного импульса, по отношению к массе тела (объекта) невелика, то переход от покоя к равномерному движению, может занимать значительное время, как, например, у большегрузных кораблей, до нескольких часов /2/.

Инерция движения, характеризуется единственным показателем – уровнем кинергии. Для того чтобы прекратить движение, необходимо создать условия максимального поглощения кинергии движущегося тела (объекта), самое экстремальное из которых энергетически прочная преграда, встреча с которой осуществляет взаимное поглощение кинергии двигающегося тела, как препятствием, так и самим телом. Для поглощения избыточной энергии движения без повреждения самого тела необходимо использовать самые различные способы поглощения энергии, начиная с противонаправленного импульса, и кончая якорением о грунт. В любом случае инерция движения будет продолжаться до тех пор, пока не будет израсходована вся кинетическая энергия тела (объекта).

Таким образом, инерция в неоклассической физике понимается либо, как недостаток энергии (инерция покоя), либо, как избыток энергии (инерция движения) в механической системе.

В отличие от классической физики, неоклассическая физика не рассматривает инерцию как врождённое свойство материи, а понимает её как соответствующий уровень внутренней энергии тела (объекта).

Феномен инерции мы можем также наблюдать во время передачи энергии от одного тела (объекта) другому. Это хорошо видно на следующем примере.

Два тела одинаковой массы движутся в одном направлении на некотором интервале между собой. У первого тела скорость u, у второго 2u. Спрашивается, что произойдет, когда второе тело догонит первое?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, с учётом кинетической инерции, необходимо сформулировать условие обмена энергией между телами.

Поскольку энергия, это универсальное понятие, то мы можем воспользоваться аналогией термодинамики, которая предусматривает передачу тепловой энергии от одного тела другому только до уровня равновесия. Два тела с одинаковой тепловой энергией её не обмениваются, то есть ни одно из них не может нагрет другое за счет снижения собственной температуры. То же происходит и с кинетической энергией. Два тела одинаковой массы, кинетически связанные между собой и вывешенные на одной и той же высоте на равных плечах уравновешивают друг друга, и не могут передать произвольно свою энергию соседу. На этом принципе работают равноплечные весы. Иными словами, энергетическое равновесие не подразумевает обмена энергией между телами (объектами). Но вот инерция вносит в этот общий закон энергетического равновесия существенную поправку. При быстро протекающих процессах обмена энергией возможна передача энергии сверх равновесия, чего мы не наблюдаем в термодинамике.

Смысл этой поправки в следующем. Кинергия распространяется в материи не мгновенно, а также, как и тепловая энергия с определённой скоростью, которая определяется индивидуальной кинергопроводностью материала тела. К сожалению, классической физике этот физический параметр не знаком, но от этого он становится менее реальным, поэтому его необходимо учитывать.

Итак, универсальный закон энергетического равенства обмена энергии устанавливает, что ни одно тело (объект) не может поделиться с другим телом (объектом) энергией сверх равенства их энергий. Между тем передача энергии, это не мгновенный процесс, а растянутый во времени, необходимое для освоения полученной энергии материалом тела (объекта), поэтому передача энергии фактически происходит быстрее чем отклик на её получение. Классическая физика на сегодня не только не сформулировала понятие кинергопроводности, но и не разработала метод решения подобных задач.

Поэтому рассмотрим этот метод неоклассической физики при решении выше приведённого примера с двумя шарами (телами).

Поскольку, два шара, после того как второй догонит первый, осуществят обмен энергиями, то решение начинаем с закона сохранения энергии при условии равенства энергии шаров после столкновения:

Е_с = m_cu_c² = Е₁ + Е₂ = mu² + m(2u)² = 5mu²;

При m_c = 2m;

Е_с = 2mu_c² = 5mu²;

u_c² = 2,5u²;

.

Итак, мы получили среднюю скорость шаров после обмена энергией, при этом два шара представляют собой уже систему из двух шаров двигающеюся с уравновешенной скоростью.

Но, прекращение обмена происходит не при этой скорости второго (догоняющего) шара, а несколько меньшей, так как первый (догоняемый) шар осваивает полученную энергию с некоторой задержкой. Поэтому, скорость при которой прекращается предварительный энергетический обмен, находится из баланса сил до и после взаимодействия:

m₁u + m₂(2u) = m₁u₃ + m₂u₃;

при m₁ = m₂ = m;

3mu = 2mu₃;

u₃ = (1,5)u.

Теперь нам известна средняя скорость системы при энергетическом равновесии, и скорость, при которой происходит прекращение предварительного обмена. Отсюда находим скорость первого (догоняющего) шара после прекращения предварительного энергетического обмена:

.

Итак, в этом конкретном случае, в результате энергетического обмена скорости шаров изменились:

• у первого (догоняющего) шара с 2u до 1,6623u.
• у второго (догоняемого) шара с u до 1,5u.

Разница в скоростях 0,1623u обусловлена феноменом инерции передачи энергии от одного шара другому. В данном случае феномен инерции энергетического обмена связан со скачкообразным снижением скорости обмена в связи с уменьшением уровня передаваемой энергии. При этом процесс энергетического обмена не останавливается, но существенно снижается его интенсивность.

После полного завершения кинетического обмена шары приобретают одинаковую скорость:

u_c = 0,5(1,6623 + 1,5)u = 1,58115u.

В классической физике этот феномен задержки обмена энергиями между двумя телами не учитывается.

Наиболее сложным случаем передачи энергии от одного тела другому является прямое столкновение двух тел при центральном ударе, когда одно тело движется, а другое неподвижно. При небольших скоростях столкновение происходит по выше рассмотренной схеме, когда энергия одного тела равномерно распределяется на два и оба продолжают движение со скоростью равной половине скорости ударяющего тела. Но в случае клапштоса энергия движущегося тела полностью передаётся неподвижному телу, при этом налетевшее тело останавливается на месте контакта двух тел, а второе начинает движение со скоростью первого. Такая ситуация противоречит закону обмена энергиями, когда фактически после равновесного обмена, первое тело продолжает передавать свою энергию телу уже с большей энергией чем у него самого.

В этом случае мы видим, классическую задержку между передачей энергии одним телом и её освоением другим, которая является следствием феномена инерции покоя.

Для того чтобы начать движение все пространственные точки неподвижного тела должны приобрести одинаковую энергию, а пространственные точки тела, которое двигалось, должны отдать свою энергию. Процесс передачи энергии движущегося тела происходит тем быстрее чем больше скорость движущегося тела, с одной стороны, а с другой направление кинетического импульса строго ориентировано в точку контакта.

В неподвижном теле, каждая его пространственная точка, во-первых, сопротивляется изменению своего состояния, так как для поглощения энергии им необходимо некоторое время, как мы видели по предыдущему примеру несколько большему, чем идет передача энергии от движущегося тела, а во-вторых, шар (в случае клапштоса) внутри самого себя меняет направление преданного импульса от прямолинейного движения в диапазоне от 0 до 90º, что соответственно сказывается на уровне энергии направленной строго по направлению удара. Совокупность этих факторов приводит к существенной задержке передачи энергии. Сама передача будет осуществляться до тех пор, пока неподвижный шар не начнёт движение. Для того, что мог быть реализован клапштос, время приёма и передачи энергии должны соотноситься как величина кинетического импульса к импульсу трения препятствующего началу движения неподвижного шара /3/:

t₂/t₁ = Y_к/Y_т = 1/(0,5k_тр);

k_тр – коэффициент трения;

Для бильярдного сукна k_тр = 0,25;

t₂/t₁ = 8.

Если будет известна кинергопроводность материала бильярдного шара, то не сложно рассчитать, скорость битка для выполнения клапштоса. А до тех пор, пока таких исследований нет, сила удара для его выполнения определятся методом проб и ошибок.

В любом случае полная передача энергии от одного тела другому возможна только в том случае, когда время передачи не больше 1/8 времени приёма энергии неподвижным телом. В данном случае инерция передачи энергии от одного тела другому обусловлена физическими характеристиками обменных тел, определяемых их кинергопроводностью /4/.

Подводя итог проведенному исследованию, следует отметить, что современное представление об инерции, к сожалению, остаётся до сих пор на уровне XVII века, рассматривая её как некое специфическое свойство материальных тел сопротивляться изменению своего состояния, не соотнесённое с современными представлениями о физическом строении материи. В XVII веке ещё не было сформулировано понятие энергии, поэтому движение без движителя рассматривалось как необъяснимое свойство материи. Сегодня мы уже знаем, что причиной любого движения является кинергия, которая передаётся механической системе от источника энергии, поэтому движение бильярдного шара после удара по нему кия продолжается до тех пор, пока не будет исчерпана полученная шаром энергия, или на его пути не встретится преграда, которая поглотит всю избыточную энергию шара. С другой стороны, если необходимо сдвинуть с места тяжёлый предмет, то усилий одного человека может для этого и не хватить, в этом случае надо либо использовать усилия нескольких человек, либо применить соответствующие механизмы, чтобы передать телу необходимую для движения энергию.

Таким образом, физическая природа инерции в неоклассической физике рассматривается исключительно через уровень энергии тела (объекта). Если этот уровень для движения тела недостаточен, то речь идет об инерции покоя. Если этот уровень энергии избыточен, то речь идет об инерции движения, каких-либо иных свойств у материальных тел проявления инерции в природе не существует. При этом, основная мера инерции, это не масса тела, как это принято считать в классической физике, а уровень кинетического потенциала этого тела θ(е) = Е/m = (m*u²)/m = u². Поэтому в неоклассической физике инерция может быть описана уравнением:

И = К – Ф;

И – инерция тела;

К – приобретённая кинергия тела (объекта) от первичного импульса;

Ф – фанергия, потеря энергии во время движения тела.

При К = 0; К = Е – Д;

Е – полная энергия тела;

Д – драсергия (потенциальная энергия);

И = 0 – инерция покоя.

При К = m*u² > 0;

m – масса тела (объекта);

u – мгновенная или средняя скорость тела (объекта), в зависимости от источника энергии: импульс или сила;

И = К – Ф > 0 – инерция движения.

При этом, следует учитывать, что никакие системы отсчёта не могут изменить физический уровень первичного импульса, который передаёт телу (объекту) необходимую для движения энергию.

Примечания

/1/. Использование различных систем отсчёта вводит исследователей в заблуждение. Для примера рассмотрим Солнечную систему.

Центр Солнечной системы Солнце движется в Пространстве по определенной траектории относительно центра Галактики. В это время вращающаяся вокруг Солнца Земля, движется в том же самом Пространстве уже по более сложной траектории, а предмет, который неподвижно лежит на поверхности Земли, по ещё более сложной траектории. Но из трёх рассмотренных объектов только два, Солнце и Земля, движутся по инерции, каждый под воздействием собственного первичного импульса, причём Земля при этом жестко связана с Солнцем гравитационным взаимодействием и тангенциальной силой орбитального движения. А вот третий участник этого движения, неподвижный предмет на поверхности Земли, перемещается в Пространстве не под действием собственной инерции, а под действием кинематической связи с Землёй. При этом полная инерция этого предмета в Пространстве определяется суммой инерций Солнца и Земли. Насколько знание этого физического параметра необходимо по отношению к неподвижному предмету, вопрос риторический, поэтому для практических целей рассмотрение бесконечной последовательности взаимосвязанных систем, как правило, теряет свою актуальность.

В рассмотренном примере представляется мало значимой информация об инерции неподвижного на Земле предмета относительной центра Галактики в связи с несоизмеримостью их размеров. А вот определение его инерции относительно поверхности Земли действительно актуально. В связи с этим неоклассическая физика не исключая всевозможных взаимосвязанных вариаций различных механических систем, при этом ориентируется на их оптимальный минимум, для решения конкретных практических задач.

/2/. В автомобильной технике преодоление инерции покоя автомобиля измеряется временем изменения скорости движения автомобиля от нуля до 100 км/ч. На рисунке представлены значения времени разгона различных моделей автомобилей Мерседес 124 при разных мощностях двигателя.

Рис. Время разгона и мощность двигателя

Максимальное время разгона 18,5 с. соответствует мощности 75 л.с., а минимальное 5,4 с, соответственно мощности 381 л.с. Иными словами, чтобы преодолеть инерцию покоя автомобиля в 3,43 раза быстрее, понадобилось увеличение мощности стартового импульса 5,08 раза. Таким образом, мы видим, что инертность зависит не от массы*, а от мощности первичного импульса. Чем он больше, тем ниже инертность тела. Но это уже не некое неизвестное свойство материи, а следствие закона кинетической энергии, чем она больше, тем быстрее начинает перемещаться тело в пространстве:

Е = m*u² = mℓ²/t²; при ℓ=1;

t = |(m/E)^1/2|.

Иными словами, на преодоление одного метра пространства телу требуется времени тем меньше, чем больше приобретённая им энергия.

Время разгона в этом случае вычисляется из выражения:

t₂ = t₁(E₁/E₂)^1/2 = 18,5(87/381)^1/2 = 8,84 c.

Фактический результат* оказался на 3,44 (8,84–5,4) с лучше, за счёт уменьшения потерь в работе всех механизмов участвующих в передаче механического импульса от двигателя к колёсам, по сравнению с предыдущей моделью. Таким образом, наблюдаемый результат указывает нам, во-первых, на то, что собственно инерция, это есть энергия движения, а во-вторых, в передаче энергии от двигателя к исполнительному органу, немаловажную роль играют физические процессы поглощения энергии, при этом никаких особых свойств у материи при этом мы не наблюдаем.

* Е 200 D W124 – 1430 кг; Е 60 W 124 – 1660 кг. 12 л.с. потребовалось на преодоление увеличения массы на 230 кг.

/3/. Физический смысл этого уравнения заключается в том, что начало движение должно начаться не ранее чем закончится полная передача энергии от одного тела другому, но не позже, чем произойдет отражение энергии, что должно привести к отскоку налетевшего тела. Поэтому, это уравнение носит условный характер, и необходимо лишь для понимания времени освоения покоящимся телом энергии внешнего импульс, до начала его движения.

/4/. Условно, в этом случае, можно говорить об инерционном свойстве материи в виде кинергопроводности, по аналогии с теплопроводностью.