Paqir argumenti - Bucket argument

Isaak Nyuton aylanmoqda chelak argumenti (shuningdek, nomi bilan tanilgan Nyutonning chelagi) bu haqiqatni namoyish qilish uchun yaratilgan aylanish harakati tananing darhol atrofdagi jismlarga nisbatan nisbiy aylanishi deb ta'riflash mumkin emas. Bu beshtadan biri dalillar "haqiqiy harakat va dam olish" ning "xususiyatlari, sabablari va oqibatlari" dan, umuman, haqiqiy harakat va dam olishni harakat yoki dam olishning maxsus holatlari deb ta'riflash mumkin emasligi haqidagi uning bahsini qo'llab-quvvatlaydi. nisbiy boshqa organlarga, lekin buning o'rniga faqat havola orqali aniqlanishi mumkin mutlaq bo'shliq. Shu bilan bir qatorda, ushbu tajribalar an operatsion ta'rifi nimani anglatishini "mutlaq aylanish ", va" nisbatan aylanish "degan savolga javob bermang nima?"^[1] Umumiy nisbiylik mutlaq tushunchaga ega bo'lgan mutlaq bo'shliqqa va sababi tizim uchun tashqi bo'lgan fizikaga taqsimlanadi geodeziya ning bo'sh vaqt.^[2]

Fon

Ushbu dalillar va mutlaq va nisbiy vaqt, makon, joy va harakat o'rtasidagi farqlarni muhokama qilish, Nyutonning I kitobidagi Ta'riflar bo'limlari oxirida skoliumda paydo bo'ladi, Tabiiy falsafaning matematik asoslari (1687) (aralashmaslik kerak Umumiy Scholium poydevorini o'rnatgan III kitob oxirida) klassik mexanika va uni tanishtirdi umumjahon tortishish qonuni, bu birinchi miqdoriy etarli dinamik izohni keltirdi sayyora harakati.^[3]

To'g'ridan-to'g'ri printsipni qabul qilishlariga qaramay harakatsizlik va ko'rinadigan harakatning kinematik nisbiyligini tan olish (buning asosini tashkil etadigan narsa Ptolemeyka yoki Kopernik tizim to'g'ri), XVII asr tabiiy faylasuflari haqiqiy harakat va dam olishni individual tananing jismoniy jihatdan aniqlovchi sifatida ko'rib chiqishda davom etishdi. Nyuton qarshi bo'lgan hukmron fikrni o'ylab topdi Rene Dekart, va (qisman) tomonidan qo'llab-quvvatlandi Gotfrid Leybnits. Bo'sh joy metafizik imkonsizdir, chunki bo'shliq materiyaning kengayishidan boshqa narsa emas, yoki boshqacha qilib aytganda, narsalar orasidagi bo'shliq haqida gapirganda, aslida bu narsalar orasidagi munosabatlar haqida gap boradi. ular o'rtasida turgan ba'zi bir shaxslarga.^[4][5] Yuqoridagi tushunchaga muvofiq, tananing harakati haqidagi har qanday tasdiq vaqt o'tishi bilan ko'rib chiqilayotgan tana t bo'lgan tavsifga tushadi.₁ "belgi" tanalarining bir guruhi atrofida va biroz t da topilgan₂ boshqa "belgi" tanasi yoki tanalari atrofida topilgan.^[6][7]

Aylanishni aniqlash: har qanday ob'ekt aylanayotganda egiluvchan qo'llarda qizil bayroqlar paydo bo'ladi. Javob: Markaziy ob'ekt aylanadi. B: tashqi halqa aylanadi, lekin teskari yo'nalishda. C: Ikkalasi ham aylanadi, lekin qarama-qarshi yo'nalishda. D: Ikkalasi ham qulflangan va bir xil yo'nalishda aylanadi.

Dekart, harakatlanuvchi qismlarga ega bo'lgan va dastlab atrofdagi halqaga nisbatan dam oladigan jismning o'zi halqaga nisbatan ma'lum bir burchak tezligiga qadar tezlashtirilgan holat va boshqa vaziyat o'rtasida haqiqiy farq bo'lishini tan oldi. atrofdagi halqaga markaziy ob'ektga nisbatan aksincha tezlanish berilgan. Faqatgina markaziy ob'ekt va uning atrofidagi halqaga nisbatan, harakatlarni markaziy ob'ekt ham, atrofdagi halqa ham mutlaqo qattiq narsalar deb faraz qilgan holda bir-biridan ajratib bo'lmaydi. Ammo, agar na markaziy ob'ekt, na atrofdagi halqa mutlaqo qattiq bo'lmagan bo'lsa, unda ularning yoki ikkalasining qismlari aylanish o'qidan uchib chiqishga moyil bo'lar edi.

Bilan bog'liq bo'lgan shartli sabablarga ko'ra Inkvizitsiya, Dekart harakatni ham mutloq, ham nisbiy deb aytgan.^{[8][tekshirib bo'lmadi ]}

19-asrning oxiriga kelib, bu bahs barcha harakatlar nisbiydir tomonidan qayta kiritilgan, xususan tomonidan Ernst Mach (1883).^[9][10]

Shunga ko'ra, biz tana o'z yo'nalishini va tezligini o'zgarmagan holda saqlaydi deymiz kosmosda, bizning tasdiqimiz qisqartirilgan ma'lumotdan boshqa narsa emas butun koinot.

— Ernst Mach; tomonidan keltirilgan Tsufolini va Wheeler: Gravitatsiya va harakatsizlik, p. 387

Bahs

Nyuton muhokama qiladi a chelak (Lotin: situla ) bilan to'ldirilgan suv shnurga osilgan.^[11] Agar shnur o'z-o'zidan mahkam o'ralgan bo'lsa va keyin chelak qo'yib yuborilsa, u nafaqat eksperimentatorga, balki tarkibidagi suvga nisbatan ham tez aylana boshlaydi. (Bu holat yuqoridagi B diagrammasiga to'g'ri keladi.)

Ushbu bosqichdagi nisbiy harakat eng katta bo'lsa-da, suv yuzasi tekis bo'lib qoladi, bu suv qismlarining paqirga yaqin bo'lishiga qaramay, nisbiy harakat o'qidan chekinish istagi yo'qligini ko'rsatadi. Oxir-oqibat, shnur bo'shashishda davom etar ekan, suv sathi eksperimentatorga nisbatan aylanayotgan paqirning harakatiga ega bo'lganda konkav shaklga ega bo'ladi. Ushbu konkav shakli, suv paqirga nisbatan tinch holatda bo'lishiga qaramay, suv aylanayotganligini ko'rsatadi. Boshqacha qilib aytganda, harakatlarning faqat nisbiy bo'lishi mumkinligi va mutlaq harakat yo'qligi haqidagi fikrdan farqli o'laroq, suvning botib ketishiga sabab bo'ladigan paqir va suvning nisbiy harakati emas. (Bu holat D diagrammasiga to'g'ri keladi.) Ehtimol, suvning chuqurligi burilishni nisbatan ko'rsatadi boshqa bir narsa: mutlaq bo'shliq deysizmi? Nyuton shunday deydi: "Suvning haqiqiy va mutlaq aylanma harakatini aniqlash va o'lchash mumkin".^[12]

Nyutonning 1846 yilgi Endryu Motte tarjimasida:^[13]

Agar uzun shnurga osilgan idish shu qadar tez-tez aylantiriladiki, shnurni qattiq burab, so'ngra suv bilan to'ldirib, suv bilan birga tinch holatda ushlab turing; so'ng, boshqa kuchning to'satdan harakati bilan, u teskari tarzda aylantiriladi va shnur o'zini burish paytida, idish bu harakatni bir muncha vaqt davom ettiradi; suv yuzasi dastlab tekis bo'ladi, chunki idish harakatlana boshlaguncha; Ammo idish o'z harakatini suvga asta-sekin etkazish orqali uni oqilona aylana boshlaydi va oz-ozdan orqaga chekinadi va idishning yon tomonlariga ko'tarilib, o'zini konkav shaklga keltiradi ... Suvning bu ko'tarilishi harakatining o'qidan orqaga chekinishga intilishini ko'rsatadi; va bu erda qarindoshga to'g'ridan-to'g'ri qarama-qarshi bo'lgan suvning haqiqiy va mutlaq aylanma harakati o'zini o'zi kashf etadi va bu harakat bilan o'lchanishi mumkin. ... Va shuning uchun bu harakat atrofdagi jismlarga nisbatan suvning har qanday tarjimasiga bog'liq emas va bunday tarjima bilan haqiqiy aylanma harakatni aniqlash mumkin emas. ...; ammo nisbiy harakatlar ... har qanday haqiqiy effektdan mahrumdir. ... Darhaqiqat, ma'lum bir jismlarning haqiqiy harakatlarini ko'rinadigan narsalardan kashf etish va amalda farqlash juda katta muammo; chunki bu harakatlarning amalga oshiriladigan ko'chmas makonining qismlari hech qachon bizning sezgimiz kuzatuviga tushmaydi.

— Isaak Nyuton; Printsipiya, 1-kitob: Scholium

Harakatning nisbiy emas, mutlaq ekanligi haqidagi dalil to'liq emas, chunki u eksperimentga taalluqli ishtirokchilarni faqat paqir va suv bilan cheklaydi, bu cheklov aniqlanmagan. Darhaqiqat, suvning chuqurligi tortishish kuchini o'ziga jalb qiladi va shu bilan birga Yer ham ishtirokchidir. Mach faqat nisbiy harakat o'rnatilishini ta'kidlaganligi sababli tanqid:^[14]

Nyutonning aylanadigan suv idishi bilan tajribasi shunchaki bizga ma'lumki, suvning idish tomonlariga nisbatan nisbiy aylanishi sezilarli markazdan qochiruvchi kuchlarni hosil qilmaydi, ammo bunday kuchlar uning er massasiga nisbatan nisbiy aylanishlari natijasida hosil bo'ladi. va boshqa osmon jismlari.

— Ernst Mach, L. Bouquiaux tomonidan keltirilgan Leybnits, p. 104

Mach gipotezasining umumiy nisbiylik darajasi bilan birlashtirilganligi maqolada muhokama qilinadi Mach printsipi; odatda, umumiy nisbiylik umuman Machian emas degan fikrda.

Barcha kuzatuvchilar aylanayotgan suv yuzasi egri ekanligiga qo'shiladilar. Biroq, bu egrilikni izohlash barcha kuzatuvchilar uchun markazdan qochiruvchi kuchni o'z ichiga oladi, bundan tashqari chindan ham harakatsiz kuzatuvchi bundan mustasno, bu egrilik ular kuzatayotgan suvning aylanish tezligiga mos keladi va qo'shimcha markazlashtiruvchi kuchga ehtiyoj qolmaydi. Shunday qilib, statsionar ramkani aniqlash mumkin va "Nima uchun statsionar?" Deb so'rash shart emas:

Asl savol, "harakat qonunlari qaysi mos yozuvlar tizimiga nisbatan amal qiladi?" noto'g'ri qo'yilganligi aniqlandi. Harakat qonunlari uchun aniqlash mos yozuvlar tizimlari klassi va (asosan) ularni qurish tartibi.^[15]

Qo'shimcha fikr tajribasi mutlaq aylanishning sodir bo'lishini aniqlash uchun xuddi shu maqsad bilan Nyuton taklif qilgan: ularning tortishish markazi atrofida aylanada ikkita bir xil sharni kuzatib borish va ip bilan bog'langan. Ipdagi kuchlanish paydo bo'lishi mutlaq aylanishni ko'rsatadi; qarang Aylanadigan sharlar.

Batafsil tahlil

Ikkala interfeys aralashmaydigan vertikal o'q atrofida aylanadigan suyuqliklar yuqoriga qarab ochiladigan dumaloq paraboloiddir.

Aylanadigan chelak tajribasining tarixiy qiziqishi shundaki, uning suv yuzasi shaklini kuzatish orqali mutlaq aylanishni aniqlashni taklif qilish foydalidir. Biroq, rotatsiya bu o'zgarishni qanday keltirib chiqarishi haqida savol tug'ilishi mumkin. Quyida chelakdagi aylanayotgan suv sathining chuqurligini tushunishga ikkita yondashuv mavjud.

Birgalikda aylanadigan ramkada suv sathining elementi uchun kuch diagrammasi. Yuqori: Radiusli qism va suv sathidagi tanlangan nuqta; suv, birgalikda aylanadigan ramka va radiusli qism vektor tomonidan berilgan doimiy burchak tezligini baham ko'radi Ω. Pastki: Sirtning tanlangan nuqtasida kuch diagrammasi. Sirtning qiyaligi uchta kuchning hammasi nolga tenglashishi uchun o'rnatiladi.

Nyuton harakat qonunlari

Paqirdagi aylanayotgan suyuqlik sirtining shakli sirt elementidagi har xil kuchlar uchun Nyuton qonunlari yordamida aniqlanishi mumkin. Masalan, Knudsen va Xyortga qarang.^[16] Tahlil suv harakatsiz ko'rinadigan bir-biriga aylanadigan ramkada erkin tana diagrammasi bilan boshlanadi. Suv balandligi h = h(r) radiusli masofaning funktsiyasi r aylanish o'qidan Ω, va maqsadi bu funktsiyani aniqlashdir. Sirtdagi suv hajmining elementi uchta kuchga ta'sir etishi ko'rsatilgan: tortishish kuchi tufayli vertikal kuch F_g, gorizontal, radial ravishda tashqi markazdan qochiruvchi kuch F_Cfglva suv yuzasiga normal kuch F_n sirtning tanlangan elementini o'rab turgan suvning qolgan qismi tufayli. Atrofdagi suv ta'siridagi kuch suv yuzasida normal ekanligi ma'lum, chunki muvozanatdagi suyuqlik ushlab turolmaydi siljish stresslari.^[17] Entoni va Braketning so'zlarini keltirish uchun:^[18]

Bir xil zichlikdagi suyuqlik yuzasi ... agar tinch holatda bo'lsa, hamma joyda kuch chiziqlariga perpendikulyar; chunki agar bunday bo'lmagan bo'lsa, sirtdagi bir nuqtadagi kuch ikkita perpendikulyar, ikkinchisi yuzaga tegib turgan ikkita qismga bo'linishi mumkin edi. Suyuqlikning tabiatidan tangensial kuch suyuqlik harakatini o'rnatadi, bu suyuqlik tinch holatda degan gapga ziddir.

— Uilyam Arnold Entoni va Kirus Fogg Braket: Fizikaning boshlang'ich darsligi, p. 127

Bundan tashqari, suv elementi harakatlanmaganligi sababli, barcha uchta kuchlarning yig'indisi nolga teng bo'lishi kerak. Nolga tenglashganda, suvning kuchi markazdan qochirma va tortishish kuchlari yig'indisiga qarama-qarshi yo'nalishi kerak, ya'ni suv yuzasi shu yo'nalishdagi normal nuqtalarini moslashtirishi kerak. (Juda o'xshash muammo - bu banked navbat, bu erda burilish burchagi o'rnatilgan bo'lib, avtomobil yo'ldan siljiy olmaydi. Aylanadigan chelakka o'xshashligi shundaki, suv yuzasi elementi hosil bo'lgan vektor natijasi bilan mos kelmasa, suv sathining yuzasi yuqoriga yoki pastga "siljiydi". vektor qo'shilishi F_g + F_Cfgl.)

Sifatida r ortadi, markazdan qochiruvchi kuch munosabatiga qarab ortadi (tenglamalar massa birligiga yoziladi):

${ displaystyle F _ { mathrm {Cfgl}} = m { mathit { Omega}} ^ {2} r ,}$

qayerda Ω bu suvning doimiy aylanish tezligi. Jozibali kuch o'zgarmagan

${ displaystyle F _ { mathrm {g}} = mg ,}$

qayerda g bo'ladi tortishish kuchi tufayli tezlanish. Ushbu ikkita kuch natija hosil qilish uchun burchakka qo'shiladi φ tomonidan berilgan vertikaldan

${ displaystyle tan varphi = { frac {F _ { mathrm {Cfgl}}} {F _ { mathrm {g}}}} = { frac {{ mathit { Omega}} ^ {2} r } {g}} ,}$

aniqroq kattalashadi r ortadi. Ushbu natija suv yuzasida normal bo'lishini va shuning uchun uning ostidagi suv kuchi bilan ta'sirchanligini ta'minlash uchun, sirtdagi normal bir xil burchakka ega bo'lishi kerak, ya'ni

${ displaystyle tan varphi = { frac { mathrm {d} h} { mathrm {d} r}} ,}$

sirt shakli uchun oddiy differentsial tenglamaga olib keladi:

${ displaystyle { frac { mathrm {d} h} { mathrm {d} r}} = { frac {{ mathit { Omega}} ^ {2} r} {g}} ,}$

yoki:

${ displaystyle h (r) = h (0) + { frac {1} {2g}} chap ({ mathit { Omega}} r right) ^ {2} ,}$

qayerda h(0) - suvning balandligi r = 0. Boshqacha qilib aytganda, suv yuzasi radiusga bog'liqligi bo'yicha parabolikdir.

Potentsial energiya

Ning qiziqarli g'oyasi yordamida suv sathining shakli boshqacha, intuitiv tarzda topilishi mumkin potentsial energiya Birgalikda aylanadigan freymda markazdan qochiruvchi kuch bilan bog'liq.G burchak tezligida bir tekis aylanuvchi mos yozuvlar tizimida xayoliy markazdan qochiruvchi kuch konservativ va shaklning potentsial energiyasiga ega:^[19][20]

${ displaystyle {U} _ { mathrm {Cfgl}} = - { frac {1} {2}} m Omega ^ {2} r ^ {2} ,}$

qayerda r aylanish o'qidan radius. Ushbu natija radial tashqi kuchni olish potentsialining gradyanini olish orqali tasdiqlanishi mumkin:

${ displaystyle F _ { mathrm {Cfgl}} = - { frac { qismli} { qismli r}} {U} _ { mathrm {Cfgl}}}$ ${ displaystyle = m Omega ^ {2} r .}$

Potentsial energiyaning ma'nosi shundan iboratki, sinov jismining katta radiusdan kichik radiusgacha harakatlanishi bajarishni o'z ichiga oladi ish markazdan qochiruvchi kuchga qarshi.

Potentsial energiya, masalan, aylanayotgan chelakdagi suv sathining chuqurligini tushunishda foydalidir. Bunga e'tibor bering muvozanat sirt shunday shaklni qabul qiladiki, uning yuzasida joylashgan har qanday joyda hajm elementi boshqa potentsial energiyaga ega bo'ladi. Shunday qilib, suv sathidagi hech qanday element pozitsiyani siljitishga unday olmaydi, chunki barcha pozitsiyalar energiya jihatidan tengdir. Ya'ni muvozanatga erishiladi. Boshqa tomondan, kamroq energiyaga ega bo'lgan sirt mintaqalari mavjud bo'lganida, yuqori potentsial energiyaning sirtini egallagan suv, past darajadagi energiyani egallash uchun harakat qilar edi, chunki ideal suyuqlikda lateral harakatlanish uchun hech qanday to'siq yo'q edi.

Ushbu muvozanat holatini qasddan buzilishini tasavvur qilib, suvni teng energetik sathidan farq qilish uchun uning sirt shaklini bir lahzada o'zgartirib yuboramiz. Shaklning bunday o'zgarishi barqaror bo'lmaydi va suv bizning sun'iy ravishda yasalgan shaklimizda qolmaydi, balki paqirning yon tomonlariga yoki paqir tomonlariga teskari surish orqali kiritiladigan ideal bo'lmagan ishqalanish kuchlari paydo bo'lguncha ko'p shakllarni vaqtincha o'rganishda qatnashadi. suyuqlikning ideal bo'lmagan tabiati, tebranishlarni o'ldirdi va suv muvozanat holatiga tushdi.

Ishda teng energiya yuzasi printsipini ko'rish uchun chelakning aylanish tezligini noldan asta-sekin oshirib borishini tasavvur qiling. Suv sathi dastlab tekis va aniq potentsial energiyaning yuzasi, chunki sirtdagi barcha nuqtalar suvga ta'sir etuvchi tortishish maydonida bir xil balandlikda joylashgan. Biroq, ba'zi kichik burchakli burilish tezligida, er usti suvining elementi markazdan qochiruvchi kuch ta'sirida tashqi tomonga qarab past potentsial energiyaga erishishi mumkin. Suv siqilmaydigan va chelak chegarasida qolishi kerakligi sababli, bu tashqi harakat katta radiusda suv chuqurligini oshiradi, katta radiusda sirt balandligini oshiradi va kichikroq radiusda pasaytiradi. Suv yuzasi biroz konkavga aylanadi, natijada katta radiusdagi suvning potentsial energiyasi tortishish kuchiga qarshi katta balandlikka erishish uchun qilingan ish bilan ko'payadi. Suv balandligi oshgani sayin atrofga qarab harakatlanish endi foydasiz bo'lib qoladi, chunki markazdan qochma kuch bilan ishlashdan kelib chiqadigan potentsial energiyaning kamayishi tortishish kuchiga qarshi ishlaydigan energiyaning ko'payishiga muvozanatlanadi. Shunday qilib, ma'lum bir burilish tezligida, konkav sirt barqaror vaziyatni anglatadi va aylanish qanchalik tez bo'lsa, bu sirt shunchalik konkav bo'ladi. Agar aylanish hibsga olingan bo'lsa, konkav yuzasini yaratishda to'plangan energiya, masalan, ishqalanish orqali, muvozanat tekis yuzasi tiklanishidan oldin tarqalishi kerak.

Doimiy potentsial energiya sirtini miqdoriy ravishda amalga oshirish uchun suvning balandligi bo'lsin ${ displaystyle h (r) ,}$: unda tortishish ta'sirida massa birligiga potentsial energiya bo'ladi ${ displaystyle gh (r) }$ va yuzadagi massa birligiga to'g'ri keladigan umumiy potentsial energiya

${ displaystyle {U} = {U} _ {0} + gh (r) - { frac {1} {2}} Omega ^ {2} r ^ {2} ,}$

bilan ${ displaystyle {U} _ {0}}$ mustaqil energiya darajasi r. Statik vaziyatda (aylanadigan doirada suyuqlikning harakati yo'q), bu energiya pozitsiyadan doimiy ravishda mustaqil bo'ladi r. Energiyani doimiy bo'lishini talab qilib, quyidagini olamiz parabolik shakl:

${ displaystyle h (r) = { frac { Omega ^ {2}} {2g}} r ^ {2} + h (0) ,}$

qayerda h (0) balandligi r = 0 (o'q). 1 va 2-rasmlarga qarang.

Ning ishlash printsipi santrifüj Bundan tashqari, potentsial energiya uchun ushbu ifoda jihatidan oddiygina tushunish mumkin, bu aylanish o'qidan uzoqroq hajm og'irroq moddani egallab olganda, bu energetik jihatdan qulayligini ko'rsatadi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

Qo'shimcha o'qish

• Brayan Grin (2004). "2-bob, olam va chelak". Kosmos matosi: makon, vaqt va haqiqat teksturasi. A Knopf. ISBN  0-375-41288-3.
• Izotropiyasi kosmik fon nurlanishi koinot aylanmasligining yana bir ko'rsatkichidir. Qarang:
  • R. B. Partridge (1995). 3 K: kosmik mikroto'lqinli pechning fon nurlanishi. Kembrij universiteti matbuoti. 279-280 betlar. ISBN  0-521-35254-1.
  • D. Lynden-Bell (1996). Relativistik Astrofizika (Igorʹ Dmitrievich Novikov, Bernard Jan Trefor Jons, Draza Markovich (Tahrirlovchilar) tahr.) p. 167. ISBN  0-521-62113-5.
  • Ralf A. Alfer va Robert Xerman (1975). Katta portlash kosmologiyasi va kosmik qora tanadagi nurlanish (ichida.) Proc. Am. Fil. Soc. jild 119, yo'q. 5 (1975) tahrir). 325-348 betlar. ISBN  9781422371077.

Tashqi havolalar

• Nyutonning makon, vaqt va harakat haqidagi qarashlari Stenford falsafa entsiklopediyasidan, Robert Rynasevichning maqolasi. Ushbu maqolaning oxirida lotin tilidagi asl matn bilan taqqoslaganda tarjimalarda aniq farqlarning yo'qolishi muhokama qilinadi.
• Leybnits hayoti va falsafasi bo'limiga qarang Fazo, vaqt va tushunarsiz narsalar Leybnits kosmik g'ayritabiiy omil sifatida harakat qilish g'oyasiga qarshi bahs yuritgani uchun.
• Nyuton paqir Suv shaklini aks ettiruvchi interaktiv dastur va unga qo'shilgan PDF-fayl, ushbu maqolada keltirilganidan ancha to'liq suv shaklidagi modelning matematik chiqishi bilan.