Bezwładność – definicja, charakterystyka i rodzaje sił bezwładności

Bezwładność zwana również siłą bezwładności, to siła z jaką ciało dąży do zachowania stanu ruchu jednostajnego lub spoczynku. Większość obliczeń przeprowadzamy w odniesieniu do układu inercjalnego, to znaczy takiego, w którym ciała nie podlegają zewnętrznym oddziaływaniom i albo się nie ruszają, a jak już to ruchem jednostajnym prostoliniowym. Jest to bardzo wygodne założenie, zwłaszcza że ruchem obiektów rządzą te same prawa, niezależnie od tego, w jakich układach są. Co, jednak gdy w naszym układzie pojawia się przyspieszenie? Wtedy, by nasz opis zjawisk był pełny, musimy wprowadzić do niego tytułowe siły. Ogólnie rzecz biorąc, jej wartość możemy wyrazić wzorem F = -m*a, gdzie m oznacza masę poruszającego się ciała, a „a” to jego przyspieszenie. Skąd we wzorze znak minus? Wynika on z faktu, iż siła ta działa przeciwnie do przyspieszenia.

Z jakich oddziaływań wynika bezwładność?

Pozostaje jeszcze odpowiedź na pytanie, z jakich oddziaływań ona wynika? I tutaj dokonamy zaskakującego odkrycia, gdyż zasadniczo, z żadnych. Tak naprawdę, siła bezwładności nie jest „prawdziwą” siłą. Opisujemy ją, gdyż gdy poruszamy się ruchem przyspieszonym, to z naszego punktu widzenia wszystkie obiekty również się tak ruszają, tylko w przeciwną stronę. Czujemy wtedy, że coś chce nas zatrzymać, dlatego arbitralnie przypisaliśmy temu odczuciu jakąś siłę. Dlaczego jeszcze wprowadziliśmy tę siłę? Dlatego, że zasady dynamiki Newtona odnoszą się tylko do układów inercjalnych. Zatem, żeby wszystkie obliczenia nam się zgadzały, do siły realnych oddziaływań musimy dodać bezwładność. Wtedy też policzymy prawdziwe przyspieszenie występujące (lub potrzebne nam) w danym układzie.

Znamy już formalne założenie dotyczące tego, który układ jest inercjalny, a który nie. Jednakże, jak odróżnić je w praktyce? Przyjrzyjmy się przykładowemu układowi, jakim jest kierowca w hamującym samochodzie. Spójrzmy najpierw z perspektywy obserwatora. Z jego punktu widzenia, układ jest inercjalny, Siła ciężkości kierowcy jest równoważona przez siłę reakcji podłoża, a siła hamująca auto nadaje mu opóźnienie (czyli przyspieszenie o zwrocie odwrotnym do prędkości). Właśnie dlatego zasady dynamiki są spełnione, gdyż to jakaś konkretna siła spowodowała powstanie opóźnienia. Sprawa ma się inaczej z perspektywy kierowcy, gdyż i przyspieszenie i prędkość są wtedy równe zeru, a wszystkie siły równoważą się, gdyż podobnie jak wcześniej, ciężar równoważy reakcja podłoża, a bezwładność równoważy siłę hamującą.

Bezwładność a siła Coriolisa

Interesującym rodzajem tytułowej siły jest siła Coriolisa, która występuje w obracających się układach. Chociaż jest znana już od XVII w., to jej nazwa pochodzi od badacza, Gasparda-Gustave’a Coriolisa, który w 1835 r. przedstawił jej dokładny opis. A co dokładnie powoduje ta siła? Powoduje, że tor ciała, które porusza się w obracającym się układzie, odchyla się od linii prostej. Ponieważ Ziemia kręci się wokół własnej osi, również jest takim układem, więc wszystkie obiekty podlegają temu efektowi. W zależności od tego, w którą stronę porusza się dana rzecz, kierunek jej ruchu będzie się inaczej zmieniał.

Konkretnie, gdy obiekt przesuwa się w stronę równika, to tor jego ruchu odchyli się na zachód, a jeśli zmierza w stronę biegunów, tor skieruje się lekko na wschód. Inaczej sprawa się ma w przypadku swobodnie spadających przedmiotów. Bez względu na to, gdzie upuścimy dany obiekt, odchyli się on na wschód. Przykładowo, zrzucając ciało z najwyższego tarasu wieży Eiffla, który znajduje się na wysokości 273 m, ciało spadnie o 6,5 cm bardziej na wschód, niż bez siły Coriolisa. Wyjątkiem od tej reguły są tu jedynie geograficzne bieguny Ziemi. Efekt Coriolisa łatwo zauważyć, obserwując wszelkie zjawiska atmosferyczne. Na półkuli północnej wiatr zazwyczaj skręca w prawo, cyklon obraca się w kierunku odwrotnym do ruchu wskazówek zegara oraz podmywane są prawe brzegi rzek, a na półkuli południowej dzieje się odwrotnie.

Bezwładność a siła odśrodkowa

Innym przykładem siły bezwładności jest siła odśrodkowa. Jak każda z sił bezwładności, nie jest siłą w ujęciu klasycznych zasad mechaniki. Jest ona jednak niezwykle przydatnym założeniem przy analizowaniu różnych zjawisk, a jej użyteczność polega na ułatwieniu nam obliczeń. Przykładowo, łatwiej rozpatrywać rozdzielanie się substancji w wirówce mając za punkt odniesienia jej obrotowy bęben, a nie Ziemię. Wyrażamy tę siłę wzorem F = mv2/r, gdzie m to masa obracającego się ciała, v to jego prędkość, a r oznaczamy jako promień krzywizny toru.

Siłę odśrodkową odczuwamy, gdy jesteśmy w samochodzie, który skręca, albo w kręcącej się karuzeli. Czy nie czujesz się wtedy, jakby coś chciało cię wyrzucić z siedzenia? Ciekawym zastosowaniem tej siły jest także suszarka bębnowa. Podczas wirowania, działanie tej siły dosłownie wyciąga wodę z ubrań. Na podstawie jej wartości projektuje się drogi oraz tory saneczkarskie tak, aby nie doszło na nich do żadnego wypadku przy skręcaniu. Możemy sobie przyjąć takie uproszczenie, że jest ona odwrotnością siły dośrodkowej, która ma dokładnie taką samą wartość i kierunek co odśrodkowa. Różni je jedynie zwrot oraz fakt, iż siłę dośrodkową rozpatrujemy w układach inercjalnych, a odśrodkową w nieinercjalnych. Mam nadzieję, że teraz już rozumiesz czym jest bezwładność.