Страница 25 из 33
Точка G называется центром инерции (см. врезку: там дано более развернутое определение). Ее отличительным свойством является отсутствие всякого ускорения при отсутствии внешней силы, как в нашем примере, где она остается неподвижной. Объекты могут удаляться или приближаться друг к другу, но отношение расстояний между ними всегда будет одинаковым.
Рис. 6.1 – Центр масс изолированной системы Если mB = 3mA, то IA = 3IB
Условие перемещения объекта
Теперь соединим наши шары А и В стержнем незначительной массы: получилась несимметричная штанга. Теперь расстояние между А и В больше не изменится. На этот раз мы рассмотрим действие внешних сил.
ЦЕНТР ИНЕРЦИИ
В случае с нашими двумя шарами A и В центр инерции был определен как Это также записывается
В случае наличия нескольких масс mi, расположенных в точке Ai, G также определяется как сумма то есть нулевая (говорят, что «G – барицентр точек Ai, зависимых от их массы mi»).
Следовательно, положение G напрямую зависит от величины масс. Однако масса может представлять и инертную массу (для инерции), и гравитационную массу (для гравитации): по этой причине G с тем же успехом называется центром массы, центром тяжести или центром инерции.
На практике мы говорим о центре массы, когда речь идет о ее математическом определении (барицентр точек), о центре инерции, когда речь идет о движении («G не испытывает ускорения без воздействия внешней силы»), и о центре тяжести, когда речь идет о точке равновесия объекта (об этом мы расскажем позднее в этой же главе).
Говорят, что объект перемещается в системе отсчета, если он не вращается по отношению к этой системе отсчета. Например, на рис. 6.2 ось штанги не вращается по отношению к листку: то есть штанга перемещается по отношению к листку. Это значит, что в перемещающемся объекте все точки имеют одинаковый вектор скорости (одна скорость и одно направление). Что называется, объект перемещается целиком.
Из этого следует, что ускорение всех его точек должно быть одинаковым. В нашем примере ускорение шара А должно равняться ускорению шара В. Из этого мы заключаем, что отношение a→; = F→; / m должно быть идентичным для А и для В, то есть .
Рис. 6.2 – Перемещение штанги относительно листка
Если шар В в три раза тяжелее шара А, то для его перемещения должна быть приложена сила в три раза большая. Однако отношение масс обратно отношению расстояний от центра инерции G: обозначив эти расстояния lA и lB, мы получаем .
Другими словами, если шар В в три раза ближе к центру инерции, чем шар А, сила, действующая на В, должна быть в три раза больше, чем сила, действующая на А, чтобы наша штанга сдвинулась с места.
Определение момента силы
В этом отношении силы проявляют себя в форме векторов. В них можно выделить две составляющих:
• Одна из них направлена на ось шаров (➙ рис. 6.3). Она стремится придать ускорение шарам, направленное вдоль этой оси. Иначе говоря, эта составляющая ни в коем случае не может заставить ось вращаться. В то же время внутренние силы стремятся сохранить одинаковую дистанцию между шарами с помощью стержня.
• Другая составляющая действует перпендикулярно оси шаров. Только она может заставить штангу вращаться. Только внешние силы могут иметь составляющую с таким направлением: в дальнейшем мы будем рассматривать только ее (➙ рис. 6.3).
Обозначим α угол, под которым сила действует на ось двух шаров. Эта перпендикулярная составляющая силы записывается F ⋅ sin α. Если нас интересует только эта составляющая, отношение F→;A lA = F→;B lB, выведенное ранее, приобретает вид F→;A lA sin αA = F→;B lB sin αB.
Рис. 6.3 – Силы, действующие на перемещающуюся штангу
Здесь мы обозначили внутренние силы, направленные вдоль оси по пунктирной линии, а также внешние силы. Чтобы вращения не было, составляющая силы, перпендикулярной оси, должна быть в три раза больше в В, чем в А, если масса mB в три раза больше массы mA. То есть FB sin αB = 3FA sin αA, если mB = 3mA.
Оно означает, что перпендикулярная оси штанги составляющая силы должна быть в три раза больше, если шар в три раза ближе к центру инерции. Если это условие не выполняется, значит, объект испытывает вращение (помимо перемещения): то есть вращается вокруг своей оси.
Иначе говоря, именно сравнение произведений Fl sin α каждого из двух шаров позволяет узнать, будет ли объект вращаться: произведение Fl sin α представляет собой возможность силы заставить объект вращаться. Его называют «моментом силы F». Поскольку l представляет здесь расстояние до центра инерции G, это называют «момент силы F по отношению к G».
Если момент силы в А больше момента силы в В, значит, объект заставит вращаться сила FA: объект будет вращаться в направлении действия силы FA. Поскольку сила вызывает ускорение, вращение будет постоянно ускоряться: как только моменты сил перестанут уравновешиваться, объект будет все быстрее вращаться вокруг своей оси.
Равновесие на острие
Теперь мы хотим установить нашу штангу на острие треугольного бруска так, чтобы она была в равновесии (➙ рис. 6.4). На какую точку мы должны ее положить?
На шары А и В действует одна сила: вес F = mg. Вес шара В в три раза больше веса шара А: FB = 3FA. В то же время В в три раза ближе к G, чем А, потому что его вес в три раза больше l = lA / 3. То есть произведение FA lA равно произведению FB lB.
Рис. 6.4 – Штанга в равновесии на острие бруска
Силы перпендикулярны оси штанги: то есть выражения, которые мы ввели, sin αA и sin αB, равны 1. Таким образом, произведения FA lA и FB lB точно соответствуют моментам силы FA и FB по отношению к G: мы видим, что эти моменты компенсируют друг друга.
То есть вес не заставляет штангу вращаться. Это не удивительно: мы уже знаем, что все объекты падают с одинаковым ускорением. Следовательно, два шара, брошенные одновременно, будут падать с одинаковой скоростью: штанга падает, не вращаясь.