INERCIJALNO UBRZANJE
Da bismo razumjeli inercijalno ubrzanje potrebno je razlikovati ubrzani i mirujući sustav. Ako naš sustav ne mijenja brzinu, tj. miruje ili ide jednoliko po pravcu, nije moguće razlikovati u kojem se stanju nalazi - giba li se ili miruje. U oba stanja brzina sustava se ne mijenja niti po iznosu niti po smjeru, jer i mirovanje je stanje nepromijenjene brzine, samo što je ta brzina jednaka nuli. I ne postoji nikakav pokus niti pojava pomoću koje bismo mogli utvrditi giba li se naš sustav jednoliko po pravcu ili miruje. U oba slučaja:
Ako je sustav neko vozilo onda u njemu događaji vezani za mirovanje i ubrzavanje izgledaju ovako: Možemo zaključiti: za promatrača u sustavu koji mijenja brzinu javljaju se inercijalne sile s ubrzanjima suprotnim od ubrzanja samog sustava. Iznos tih ubrzanja jednak je ubrzanju sustava. Za promatrača iz mirujućeg sustava te sile ne postoje. Za njega postoji samo ubrzavanje zajedno sa sustavom ili inercijsko zadržavanje ranijeg stanja mirovanja, odnosno jednolikog gibanja po pravcu. Dizanje tereta u gravitacijskom polju može biti osim težinom opterećeno dodatnim inercijalnim silama koje treba uzimati u obzir. Dobar primjer za to su pojave u dizalima. Razmotrimo nekoliko različitih slučajeva
a) Dizalo miruje ili se giba jednolikom brzinom – nema inercijalne sile b) Dizalo ubrzava prema gore – tijela dodatno pritišću na pod dizala jer postoji inercijalno ubrzanje suprotno od ubrzanja dizala i uže kojim se dizalo diže trpi veću silu nego kad dizalo miruje ili se giba jednoliko. c) Dizalo usporava u gibanju prema gore - tijela manje pritišću na pod dizala jer je inercijalno ubrzanje suprotno od ubrzanja sile teže i uže trpi manju silu. d) Dizalo ubrzava u gibanju prema dolje – ubrzano spuštanje, ako bi ubrzanje dizala bilo jednako ubrzanju sile teže, primjerice kada bi uže puknulo, tijela u kabini dizala bila bi u bestežinskom stanju. main=mg => F'=0 e) Dizalo usporava u gibanju prema dolje – U slučaju naglog kočenja pri spuštanju dizala ili pri padu dizala, javlja ju se velike inercijalne sile koje vrše pritisak tijela na pod kabine jer se težini pribraja još i velika inercijalna sila. Na ravnu platformu koja može jednoliko kružiti postavimo glatku kuglu i pregradu duž polumjera. Jedan promatrač stoji na platformi, a drugi promatrač događaj promatra iz mirujućeg sustava. Što će oni uočiti kad počne vrtnja platforme? Pogledajmo na još jednom primjeru kako događaji izgledaju u različitim sustavima:
U tovarnom prostoru kamiona sjede dva promatrača naslonjena leđima na kabinu kamiona. (simbolički su nacrtani sa šeširima velikog oboda ispod kojeg izviruju samo stopala.) U lijevom kutu tovarnog sanduka vozi se glavica kupusa. Događaj promatra treći promatrač koji sjedi na uzvisini pored ceste. Kamion ulazi u zavoj i pri tome predstavlja sustav koji se centripetalno ubrzava. Promatrač iz mirujućeg sustava vidi da na glavicu kupusa ne djeluje nikakva centripetalna sila koja bi joj putanju učinila kružnom pa kupus nastavlja gibanje po pravcu sve dok se ne nasloni na ogradu vozila nakon čega će se početi gibati po kružnoj putanji, odnosno počet će se centripetalno ubrzavati.
Međutim, promatrači koji se nalaze u ubrzanom sustavu vide da se glavica kupusa Za promatrača u mirujućem sustava to ubrzanje i ta sila ne postoje. Centrifugalna i centripetalna sila jesu isitih iznosa, a suprotnih smjerova i djeluju na isto tijelo ali u različitim sustavima pa stoga ne podliježu 3. Newtonovom zakonu i međusobno se ne poništavaju.
Ako bismo tvrdili da se centripetalna i centrifugalna sila poništavaju to bi značilo da je ukupna sila na tijelo jenaka nuli pa bi se po 1.Newtonovom zakonu tijelo moralo gibati po pravcu, a ono to ne čini jer kruži. O centripetalnom ubrzanju i centripetalnoj sili kao i jednolikom kružnom gibanju vidi članak Jednoliko kružno gibanje. Odnos između centripetalne i centrifugalne sile zbunjuje većinu ljudi pa se znaju javljati ovakva pitanja: "Ako centrifugalna sila u stvarnosti ne postoji, tj. ako je ona fiktivna, zašto nam je onda ona potrebna da bismo objasnili umjetnu gravitaciju?"
Opisujući razliku između sustava koji miruje ili se giba jednoliko po pravcu i sustava koji mijenja brzinu rekli smo da ne možemo osjetiti brzinu stalnog iznosa i smjera i ne možemo je razlikovati od stanja mirovanja, ali ubrzanja možemo osjetiti. Kao putnici u automobilu možemo čak i zatvorenih očiju reći kada vozilo ubrzava, usporava ili skreće u zavoju. Međutim samo zato što možemo osjetiti ubrzanja ne znači da mi uvijek osjećamo ubrzanje. Stoga, da bismo oponašali utjecaj gravitacije nije nam potrebna sila slična sili teži prema dolje, nego samo reakcija podloge, pravog iznosa, usmjerena prema gore! Najprije, razmotrimo ne-rotirajuću svemirsku stanicu negdje u svemiru. Uočite da astronaut unutar stanice lebdi. Budući da su i astronaut i svemirska stanica u slobodnom padu, astronaut (i sve ostalo u svemirskoj stanici) osjeća "bestežinsko stanje".
Da bi se astronaut unutar svemirske stanice gibao po kružnici mora na njega djelovati centripetalna sila. Tu silu može stvarati vanjska stjenka svemirske stanice. Uočite da ta sila oponaša reakciju podloge kakvom tlo djeluje na čovjeka na Zemlji. Zbog toga će centripetalna sila stvarati kod astronauta osjećaj težine! Nema gravitacijske sile – samo reakcija podloge – astronaut nije stvarno teži, on samo osjeća težinu. Sve što trebamo učiniti jest da brzinu vrtnje svemirske stanice prilagodimo tako da centripetalna sila kojom stanica djeluje na astronauta bude jednaka težini astronauta na Zemlji, tj. mg, i on će osjećati svoju normalnu težinu (ali neće biti pod djelovanjem sile teže!!). Budući da nemamo na raspolaganju svemirsku stanicu možemo jednostavnim pokusom pokazati kako centripetalna sila može zamijeniti težinu: Posijemo li pšenicu u posudu koja se za vrijeme klijanja i rasta pšenice neprekidno okreće, vlati će rasti usmjerene prema osi vrtnje. Za biljku je to smjer u kojem se najlakše odupire savijanju uslijed bočnih sila. Taj smjer je vektorski zbroj reakcije tla (suprotan od g) i centripetalnog ubrzanja ω2r koje osjeća zrno. Bilo bi zanimljivo ispitati može li biljka uopće rasti u bestežinskom stanju. |