Ревизия основ механики

                        Ревизия основ механики

                     В.М.Юровицкий, Москва

Выход человека в космос заставляет по-новому осмыслить многие механические представления.

Одним из центральных открытий явился феномен невесомости. Такого феномена классическая механика не знала. Достаточно сказать, что термин «невесомость» появился в энциклопедиях и энциклопедических словарях только в середине шестидесятых годов прошлого века. Хотя первые предвидения существования этого явления мы находим у К.Э.Циолковского[1].

Феномен невесомости играет важнейшее значений в космонавтике. И отсутствие этого феномена в классической ньютоновской механике заставляет предположить ее неадекватность новым потребностями научного и технического развития, заставляет заново рассмотреть основы механики.

1. Инерциальная система отсчета и первый закон Ньютона

Как известно, Первый закон Ньютона гласит, что свободные тела, т.е. тела, к которым не приложено никаких сил, двигаются равномерно и прямолинейно или покоятся в инерциальной системе отсчета.

Для полноты необходимо было бы дать определение инерциальной системы отсчета. К сожалению, этого определения Ньютон не дал. В течение столетий механики пытались дать определение инерциальных систем отсчета. Определение, приводимое Википедией, можно считать апофеозом этих исследований «Инерциальная система отсчёта (ИСО) — система отсчёта, в которой справедлив первый закон Ньютона»[2]. Другими словами, все свелось к порочному кругу: первый закон справедлив в ИСО, ИСО – система отсчета, в которой справедлив первый закон Ньютона

Ясно, что на таком логическом фундаменте строить «большую механику» недопустимо.

2.     Весомость ─ новая механическая характеристика

Космонавтика выдвинула на первый план новое понятие механики – понятие механического состояния, которого нет в современной механике.

Мы постулируем такое понятие и примем, что существуют два главных типа механических состояний ─ весомое и невесомое. И для количественной характеристики механических состояний введем новую фундаментальную механическую характеристику, которую назовем «весомость». Ввиду своей фундаментальности, она не имеет в механике определения. Но мы можем указать на способы ее практического измерения. Эти приборы хорошо известны и широко применяются, правда, в настоящее время они называются вряд ли правильно ─ «акселерометры» и «гравиметры». Правильно было бы называть их «весомометрами». Весомость измеряется непосредственно на самом теле и не является кинематической характеристикой. Связь с нынешней механикой эта характеристика получает через ЗАКОН МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ. Этот закон имеет вид:

                       F=-mW                  (1)

где F - сила, m─ масса элементарного механического объекта (материальной точки) и W - весомость механического объекта. Отсюда размерность весомости в СИ будет Ньютон на килограмм (Н/кг). Предлагается дать этой характеристике название «Галилео» (Гл). Тогда нормальная земная весомость будет 9.81 Гл. Весомость космического корабля во время запуска составляет порядка 40 Гл, а в полете порядка 1 мГл (микрогравитация). В центрифуге разделения изотопов весомость достигает 1 МГл. Заметим, что направление вектора весомости противоположно направлению приложенной силы. Весомость характеризует противодействие, воздействие тела на источник силы, т.е. связана именно с весом.

Невесомость есть фактически синоним понятия «свободы». Весомое тело несвободно, невесомое ─ свободно.

3.     Системы отсчета классической механики

В физике используются различные системы отсчета. В классической механике используются системы отсчета, основанные на образе твердого тела. Система тел отсчета в этом представлении представляет собой абсолютно твердое тело, отсчетные элементы которого скреплены абсолютно жесткими связями. Образом абсолютно жесткого тела могут служить металлы, алмаз и пр. Постулируется, что между любыми элементами твердого тела расстояния являются неизменными.

Для полного описания системы отсчета необходимо еще определить понятие прямой. В современной практике используется два определения прямой: прямая как образ натянутой нити, и прямая как образ линии движения света.

В первом приближении эти два понятия прямой совпадают В земной практике, например, геодезии, используют оба представления. Однако, в астрономических масштабах эти образы расходятся. И стоит вопрос о выборе. Мы считаем, что предпочтительным вариантом является натянутая нить как образ прямой. А вопрос о том, является ли линия движения света прямой или кривой должен уже решаться в конкретных условиях.

Для определения пространственного масштаба определяется отрезок прямой между двумя выбранными элементами твердого тела как эталон длины. Это позволяет создать уже метрику пространства и трехмерную систему координат.

Для измерения времени мы можем использовать различные периодические процессы. Такие как колебания гравитационного маятника, пружинные часы, атомные и т.п. Для определения устойчивости измерения можно предложить следующую методику: создаются два идентичных образца часов. Их синхронизируют. Одни часы оставляют неподвижными в системе отсчета, а вторые часы подвергают различным механическим и кинематическим воздействиям. Если после некоторого времени эти часы совмещаются, и они остаются синхронными, то мы можем признать эти часы достаточно устойчивыми и стабильными, и они могут использоваться в качестве координатных часов ─ часов, сопряженных с элементами системы отсчета.

Очевидно, что созданная таким образом метрика универсальна и едина для всего пространства и не зависит ни от его наполнения, ни от идущих в нем процессов. Наше мнение, что метрика пространства создается, а не представляет собою закон природы. И достижение современной цивилизации состоит в использовании единых эталонов и мер во всех областях пространства ─ единство метрологии. Вот почему представление о зависимости метрологии от наполнения пространства нам представляется совершенно неприемлемым с точки зрения современной метрологической науки и научно-технического развития.

4. Инерциальные система отсчета

Элементы системы отсчета на базе твердого тела для сохранения своей неподвижности, как правило, связаны друг с другом силовыми связями и поэтому находятся в весомом состоянии. Например, во вращающейся системе отсчета имеем весомые тела отсчета, весомость которых W=ω²ρ, ρ - расстояние до оси вращения. Элементы жестких системы отсчета в гравитационном пространстве также являются  весомыми. Например, в жесткой невращающейся системе отсчета с одиночным массовым телом имеем спадающую по радиусу весомость, равную W=-kM/r².

Но могут существовать и системы отсчета с невесомыми телами отсчета. Такие системы отсчета мы назовем «мягкими» системами отсчета.

И наконец, возможны системы отсчета, являющиеся одновременно и жесткими, и мягкими одновременно. В этих системах отсчета имеем неподвижные относительно друг друга элементы отсчета, но они невесомы, т.е.

не имеют силовой связи друг с другом.

Такие системы отсчета и являются инерциальными системами отсчета. Именно для таких систем отсчета и имеет место первый закон Ньютона: свободное (невесомое) тело движется в инерциальной системе отсчета равномерно и прямолинейно или покоится.

Таким образом, проблема Первого закона Ньютона решена полностью.

5. Движения весомых тел в инерциальной системе отсчета

Итак, нами дано описание движения свободных (невесомых) тел в инерциальной системе отсчета, фактически подтвержден Первый закон Ньютона.

Теперь возникает вопрос о движении весомых тел в инерциальной системе отсчета.

Согласно Второму закону Ньютона это должно было бы быть:

                        w =-W             (2)

w – ускорение. Отметим, что это уравнение есть гипотеза, которая хорошо подтверждается в нерелятивистских движениях. Но это уравнение противоречит теории относительности. Оно допускает световую и даже сверхсветовую скорость движения массовых тел. Поэтому оно требует модернизации и приведения его в соответствие с принципами релятивизма.

Заметим, что нерелятивистский характер второго закона Ньютона был отмечен сразу же. И было множество попыток его «релятивизировать», но все они оказались неубедительными и до сих пор удовлетворительной релятивистской формулировки второго закона Ньютона не найдено.

Но использование в качестве фундаментальной характеристики весомости позволяет предложить достаточно логичную гипотезу в виде нового закона движения весомых тел в инерциальной системе отсчета:

         w =-W* √(1-v²/c²)                      (3)

В духе теории относительности при постоянной весомости ускорение при приближении к скорости света уменьшается и сама скорость тела не может достичь скорости света.

Рассмотрим движение с постоянной весомостью W. При нулевой начальной скорости скорость во время t будет v(t)=c*sin(Wt/c).  Видно, что при малых временах мы имеем линейное увеличение скорости. При больших временах скорость растет, но более медленно. И естественно не может уменьшаться и даже достичь скорости света. Следовательно, при фиксированной весомости время существования весомого состояния ограничено временем T: Tc/2W. Например, для земной весомости это время составляет 1.7 года. Это означает, что не может существовать весомого космического корабля с весомостью на борту равной земной более 1.7 года. За это время космический корабль не достигнем даже ближайших звезд. Мы получаем довольно интересное ограничение на космические полеты. Понятно, что от современных полетов с длительностью весомого состояния в десятки минут до полутора лет дистанция громадного размера. Но с теоретической стороны ограничение на космические полеты очень важны.

Итак, мы получили (в виде гипотезы) релятивистский закон движения весомых тел в инерциальной системе отсчета. Почему же его невозможно было получить в ньютоновской формулировке? Дело в том, что в нее в явном виде входит сила. А силы могут зависеть от скорости самыми различными способами, не имеющими отношения к релятивизму.  В предлагаемом подходе второй закон Ньютона разделен на две части, имеющие различную область справедливости. Уравнение состояния не имеет никакой связи с движением, оно справедливо всегда. А уравнение движение имеет ограниченную область применимости – только в ИСО. В неинерциальных системах отсчета этот закон несправедлив. Этим самым мы получаем более обоснованную механику.

6. Закон силового взаимодействия

Закон силового взаимодействия есть третий закон Ньютона:сила действия равна силе противодействия. Однако смысл этого закона несколько иной. Без этого закона соотношение (1) есть просто определение силы. Статус закона ему придает третий закон Ньютона.

7. Ньютоновская теория гравитации

Ньютоновская теория гравитации основана на понятии гравитационных сил и базируется на втором законе Ньютона. Можно спорить, существуют ли гравитационные силы. Но то, что использование второго закона Ньютона для расчета движений тел в гравитационном поле неправомерно ─ это очевидно. Жесткая система отсчета в гравитационном поле не является инерциальной и ее использование недопустимо.

Но значит ли, что все результаты ньютоновской теории гравитации неверны? Нет, это не значит. Ибо, согласно правил логики, из верного утверждения следуют верные следствия, а из неверного могут следовать как верные, так и неверные. Например, человек есть птица. Неверно. Но человек как птица имеет две ноги ─ верное следствие. Следовательно, в существующей гравитационной теории  могут быть как верные, так и неверные положения. Для отсеивания последних необходимо создание иной, неньютоновской гравитационной теории. При этом эйнштейновская метрическая теория гравитации вообще не может быть признана научной теорией, так как она нарушает принципы единства мер и эталонов и основана на неверном                           принципе, что меры и эталоны есть законы природы а не предмет антропного творчества и произвола.

8. Заключение

Наступление космической цивилизации требует ревизии классической механики. При этом самые казалось бы надежные представления, имеющие многовековую историю, оказываются неверными и нуждаются в пересмотре. Новая механика требует и новых понятий. И таким новым понятием, радикально изменяющим сам язык механики, является понятие механического состояния с характеристикой весомость.

Библиография:

1. К.Э.Циолковский. «Свободное пространство(систематическое изложение научных идей)», 1883, опубликована в 1954 г.

2.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BD%D0%B5%D1%80%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0