Warum wird die Zentrifugalkraft als fiktiv bezeichnet? [Duplikat]

Ich bin nicht der Meinung, dass Sie die Zentrifugalkraft spüren. Eine Person in einer Zentrifuge spürt tatsächlich ihre Reaktion auf die Zentripetalkraft. Wenn Sie in einem Auto sitzen, das stark beschleunigt wird, „fühlen“ Sie sich, als würden Sie in Ihrem Sitz zurückgedrückt. Es gibt keine Kraft, die Sie zurückdrückt – es ist einfach das Ergebnis Ihrer Trägheit.

Eine Kraft ist fiktiv, wenn sie den drei Newtonschen Bewegungsgesetzen nicht gehorcht . Erinnern Sie sich an Newtons erstes Gesetz:

Das erste Gesetz besagt, dass ein Objekt in Ruhe in Ruhe bleibt und ein Objekt in Bewegung in Bewegung bleibt, es sei denn, es wird eine äußere Nettokraft auf es eingewirkt.

Mathematisch entspricht dies der Aussage, dass die Geschwindigkeit des Objekts konstant ist, wenn die Nettokraft auf ein Objekt Null ist.

$$\sum \mathbf F=0\iff \frac{d\mathbf v}{dt}=0$$

Man könnte das erste Gesetz als „Test“ für die verbleibenden zwei Gesetze bezeichnen; Wenn das erste Gesetz nicht gilt, können Sie die anderen beiden nicht anwenden. In einem rotierenden Bezugssystem könnte ein Trägheitspfad beispielsweise wie im linken Bild aussehen:

Der Ball beschleunigt offensichtlich, aber es scheint nichts zu geben, was die Kraft verursacht. Sie haben in dieser Situation zwei Möglichkeiten. Sie könnten argumentieren, dass keine Kraft auf den Ball wirkt (ich sehe nichts, was eine Kraft verursacht!), und in diesem Fall würde Newtons erstes Gesetz verletzt, weil der Ball immer noch beschleunigt. Man könnte auch argumentieren, dass auf den Ball eine Kraft wirkt , die durch definiert ist$\mathbf F\equiv m\, \mathbf a$. In diesem Fall würde Newtons drittes Gesetz verletzt, weil es keine zweite Kraft gibt, die gleich und entgegengesetzt ist$\mathbf F$. Dies verstößt gegen die Impulserhaltung und wir haben keine andere Wahl, als diese Kraft als fiktiv zu bezeichnen. In beiden Fällen schließen wir, dass unser Referenzrahmen nicht träge ist.

Die klassische Physik wird seit langem von fiktiven Kräften geplagt, die erst nach der Einführung der Allgemeinen Relativitätstheorie gelöst wurden.

Nach der Newtonschen Grundformulierung der Mechanik treten "wirkliche" Kräfte in Paaren auf: eine Kraft (Aktion) und ihre Reaktion, die auf die Quelle der Aktion einwirkt. Außerdem sind "echte" Kräfte unabhängig vom verwendeten Bezugssystem. Fiktive Kräfte, wie Zentrifugal- oder Coriolis-Kräfte, verletzen beide Bedingungen. Das ist der Grund, warum sie so genannt werden. Vielleicht ist das kein guter Name, weil sie konkrete Effekte haben (obwohl die Interpretation dieser Effekte gegeben werden kann, ohne fiktive Kräfte zu verwenden, indem man das Phänomen einfach in einem Trägheitsbezugssystem beschreibt).

Das Objekt am Nicht-Trägheitsrahmen spürt wirklich die Zentrifugalkraft! Es ist also eine echte Kraft für das Objekt.

Das ist eigentlich falsch. Ein am Objekt angebrachter Beschleunigungssensor erfasst nur die Summe der realen Kräfte. Es gibt kein Experiment, mit dem Sie irgendeine fiktive Kraft „fühlen“ können. Sie existieren nur in Nicht-Trägheitssystemen und ihre Existenz oder Nichtexistenz ändert nichts am Ergebnis irgendeiner physikalischen Messung.

Die Unterscheidung zwischen Trägheitskräften und realen Kräften ist physikalischer Natur und nicht nur eine Bezeichnung, die irgendein menschliches Vorurteil widerspiegelt.

„Fiktiv“ ist ein belasteter Begriff. Es ist besser, die alternativen Begriffe "Pseudokraft" oder "Trägheitskraft" zu verwenden, um zu vermeiden, dass die Kraft nicht real ist. Unabhängig davon, welche Bezeichnung verwendet wird, ist der entscheidende Punkt, dass die Zentrifugalkraft (und in ähnlicher Weise die Euler-Kraft und die Coriolis-Kraft) ausschließlich aus der Tatsache entsteht, dass wir die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Objekts relativ zu einem nicht trägen Referenzrahmen messen.

Ohne zu argumentieren, warum etwas etwas genannt wird, gebe ich nur die Rechtfertigung dafür, etwas etwas zu nennen.

Wann immer eine Kraft aufgrund unserer Wahl eines nicht-trägen Rahmens entsteht, wird sie als fiktive Kraft bezeichnet.

Betrachten Sie als Beispiel eine Person in einem nach oben beschleunigenden Aufzug. Wenn sich die Person auf ihren eigenen Rahmen verlässt, sollte sie die Bewegungsgleichung schreiben als

In genau diesem Sinne ist die Zentrifugalkraft fiktiv.

In einem Inertialsystem schreiben wir

das Objekt spürt, dass es eine radial nach außen gerichtete Kraft gibt

Nein, das tut es nicht, und das ist der ganze Grund für das Missverständnis.

Ein Mensch mag so empfinden, aber das ist eine Sache, die in Ihrem Kopf vor sich geht und einfach bedeutet, dass wir nicht so verdrahtet sind, dass wir die wirkenden Kräfte auf biologischer Ebene wirklich sinnvoll verarbeiten können - vor allem weil Es passiert nie im wirklichen Leben, also gibt es keinen Selektor für die Evolution, um es zu entwickeln.

Binden Sie ein Seil an einen großen Felsen und wirbeln Sie es um sich herum (im freien Raum ohne Planeten in der Nähe, um Verwechslungen mit seiner Schwerkraft zu vermeiden). Schneiden Sie das Seil mit einem Schlag durch. In diesem Moment wirken keine Kräfte mehr auf den Felsen. Der Stein fliegt nicht radial von dir weg; es fliegt tangential zu dem eben beschriebenen Kreis davon. Es gab keine wirkliche Kraft, die von dir weg zeigte.

Sie können dies ganz einfach in Ihrem Garten oder von Ihrem Sessel aus testen, indem Sie einen Hammerwurf in Zeitlupe beobachten . Beachten Sie, wie sich die Athleten nach dem Loslassen noch eine Vierteldrehung drehen, bevor sie dem fliegenden Objekt mit den Augen folgen.

Während der Felsen noch gebunden war, wirkte genau eine Kraft auf ihn: die Kraft des Seils, das direkt auf dich zu zog; oder aus der Perspektive des Felsens auf seinen "Boden" (dh die Zentriblattkraft - von lat. "pedes: zu Fuß", wie in "Fußgänger"). Während es sich um Sie drehte, hatte es in jedem Moment eine Geschwindigkeit, die tangential zu seinem Kreis oder seiner Umlaufbahn war; und die Zentripetalkraft ist diejenige, die es auf Sie "fallen" lässt oder, neutraler ausgedrückt, ständig seine Richtung ändert.

Bei einem festen rotierenden Objekt wird das Seil durch die elektromagnetischen Kräfte ersetzt, die die Teilchen zusammenhalten. Bei einem Objekt, das auf einem Planeten steht, wird das Seil durch die Schwerkraft ersetzt. Oh, und ein lustiges Gedankenexperiment: Wenn jemand jetzt auf der Erde die Schwerkraft ausschalten würde und ein völlig unelastisches Objekt auf einem völlig unelastischen Boden säße (dh ohne innere "Feder" -Kräfte im Bild) und vielleicht hinein B. ein lokales Vakuum, scheint es parallel zum Boden zu fliegen, nicht in Richtung Himmel.

Die Illusion der Zentrifugalkraft ist uns gemeinsam und wird von unserem Gehirn erzeugt; Wenn Sie beispielsweise in einem Auto sitzen und schnell um eine Ecke fahren, scheint sich Ihr Kopf zur Seite des Autos zu bewegen. Dies ist jedoch nicht der Fall. Dein Kopf will geradeaus gehen; Die Seite Ihres Autos bewegt sich zentripetal und drückt somit auf Ihren Kopf, wenn Sie Ihre Muskeln so weit entspannen, dass Ihr Kopf an der Seite anliegt.

"Das Objekt am Nicht-Trägheitsrahmen spürt wirklich die Zentrifugalkraft! Es ist also eine echte Kraft für das Objekt."

Drei Punkte dazu:

1. Dies ist eine philosophische Beobachtung, keine physikalische. Was nicht bedeutet, dass es ungültig ist. Es entsteht nur allerlei Unfug, wenn man philosophische Aussagen mit physikalischen Aussagen verwechselt.
2. In der Physik ist eine Kraft das, was eine Beschleunigung verursacht. Zeitraum. Ein Objekt, eine Person, eine Katze oder was auch immer, das in einem Behälter um eine Achse gedreht wird, wird per Definition radial nach innen beschleunigt. Unter dem Gesichtspunkt, welche Beschleunigungsursachen vorliegen, ist die Kraft also auch radial nach innen und es gibt keine radial nach außen gerichtete Kraft.
3. Aber philosophisch würde ich argumentieren, dass Sie keine äußere Kraft spüren. Denk darüber nach. Wenn Sie in einem Auto scharf nach links abbiegen und sich mit der rechten Seite gegen die Autotür lehnen, spüren Sie dann eine Kraft auf Ihrer linken Schulter, die Sie herausdrückt? Nein. Die einzige Kraft, die Sie tatsächlich spüren, befindet sich auf Ihrer rechten Schulter und drückt Sie nach innen. Das „Gefühl“ einer äußeren Kraft ist eine psychologische Interpretation Ihrer Erfahrung, die eine ganze Reihe von Wahrnehmungen in diesem Moment integriert. Die einzige Kraft, die du wirklich spürst, ist nach innen.

Ist es also wirklich richtig, die Zentrifugalkraft als fiktiv zu bezeichnen, nur weil sie in einem Trägheitsbezugssystem nicht existiert?

Fiktive Kräfte existieren nur in Nicht-Trägheitssystemen.

Die reaktive Zentrifugalkraft (oder wie auch immer Sie sie nennen möchten) ist real und Teil eines Paares von Kräften des dritten Newton-Gesetzes. Stellen Sie sich einen Puck vor, der auf einer reibungsfreien Oberfläche gleitet und auf einer kreisförmigen Bahn durch eine befestigte Schnur zentripetal beschleunigt wird, die durch ein Loch in der Mitte der kreisförmigen Bahn geht. Die Saite übt eine Zentripetalkraft auf den Puck aus, gleichzeitig mit dem Puck, der eine reaktive Zentrifugalkraft auf die Saite ausübt.

Stellen Sie sich für die Person in einem Zentrifugenbeispiel vor, dass die Person einen Ziegelstein gegen ihren Bauch hält. Die Person wird die reaktive Zentrifugalkraft von dem Ziegel spüren, koexistent mit der Zentripetalkraft, die die Person auf den Ziegel ausübt.

https://en.wikipedia.org/wiki/Reactive_centrifugal_force

Stellen Sie sich vor, Sie stehen in einem Zug, dessen Boden aus Eis besteht. Der Zug parkt am Bahnhof. Du stehst auf dem Eisboden des Zuges und hältst dich an nichts fest. Im Zug sitzen noch andere Fahrgäste.

Als der Zug aus dem Bahnhof ausfährt, bleiben Sie träge an Ort und Stelle, da das Eis aufgrund fehlender Reibung keine Scherkräfte auf Ihre Füße ausübt. Zu einem Passagier, der sich hinsetzt, sieht er Sie an, wie Sie zum Ende des Zuges beschleunigen, und bemerkt: "Wow, da wirkt eine Menge Kraft auf diesen Typen!" Bei näherer Betrachtung bemerkt der Passagier jedoch den Eisboden und stellt fest, dass es keine solche Kraft gibt, die Ihre Rückwärtsbeschleunigung erklären könnte. Der Passagier kommt zu dem Schluss, dass diese scheinbare Kraft fiktiv ist und dass er stattdessen einfach Beobachtungen von einem nicht inertialen Rahmen aus macht.

Aus S scheint es, dass die Zeit für S′ langsamer vergeht. Überraschenderweise scheint es von S' aus zu sein, dass die Zeit auch für S langsamer vergeht. Wer hat nun Recht? Antwort: Beide haben Recht.
Ist es also wirklich richtig, die Zentrifugalkraft als fiktiv zu bezeichnen, nur weil sie in einem Trägheitsbezugssystem nicht existiert?

S und S' sind sich nicht einig darüber, wie schnell die Zeit vergeht. Sie stimmen beide darin überein, wie viel S-Zeit vergeht, und beide sind sich nicht einig darüber, wie viel S'-Zeit vergeht. Sie sind sich nicht einig, dass S die S-Zeit nur "Zeit" nennt, während sich der Begriff "Zeit" für S' auf die S'-Zeit bezieht. Dies ist nicht wirklich eine Meinungsverschiedenheit über ein physikalisches Phänomen wie Zeit, dies ist lediglich eine semantische Meinungsverschiedenheit darüber, welches physikalische Phänomen das Etikett "Zeit" erhält.

Gemäß Einsteins Postulaten der Speziellen Relativitätstheorie ist keines ihrer Kennzeichnungssysteme überlegen. Beide funktionieren gleich gut.

Im Fall von Trägheits- und Nicht-Trägheitsrahmen ist es immer noch nicht ganz richtig zu sagen, dass man "richtig" ist. Beide haben gültige Koordinatensysteme und physikalische Gesetze, die Phänomene vorhersagen. Die Nicht-Trägheitsphysik ist jedoch komplizierter.

Da es gut ist, einen universellen Satz physikalischer Regeln zu haben, anstatt je nach gewähltem Bezugsrahmen unterschiedliche Regeln zu haben, und es eine objektive Grundlage gibt, auf der wir sagen können, dass der Trägheitsrahmen, obwohl nicht unbedingt "richtiger", nützlicher ist , macht es Sinn, physikalische Gesetze in Bezug auf Trägheitssysteme zu formulieren, und das bedeutet, dass das Wort "Kraft" sich auf Kräfte bezieht, die in Trägheitssystemen existieren, und das Zusatz "fiktiv" zu Phänomenen hinzugefügt wird, die nur in nicht- Trägheitsrahmen.

Die Antwort hängt von der jeweiligen Bedeutung ab, die man in das Wort fiktiv einfügt :

• Einerseits besteht kein Zweifel daran, dass die Zentrifugalkraft (und andere Kräfte, die in nicht-trägen Bezugssystemen auftreten) real ist - in dem Sinne, dass sie messbar ist und reale physikalische Auswirkungen hat (im Bezugssystem des rotierenden Objekts).
• Andererseits sind reale Kräfte nicht nur durch ihre Wirkung, sondern auch durch ihre Natur gekennzeichnet - die vier Grundkräfte (Schwerkraft, elektromagnetische Wechselwirkung, schwache und starke Wechselwirkung) spiegeln Eigenschaften der Objekte wider, die unabhängig (oder zumindest invariant) sind in Bezug auf) die Referenzrahmen, die wir verwenden. Die Zentrifugalkraft hängt für ihre Existenz vom Referenzrahmen ab, auch wenn die Berücksichtigung von Trägheitsbezugsrahmen, die den Nicht-Trägheitsrahmen überlegen sind, als eine Frage der Konvention / Existenz angesehen werden könnte. In diesem Sinne wird die Zentrifugalkraft als fiktiv angesehen. (Beachten Sie, dass reale Kräfte selbst auch drastische Transformationen erfahren können, wenn Sie einen Referenzrahmen ändern, selbst wenn sie zwischen den Trägheitsreferenzrahmen liegen.)
• Lassen Sie mich abschließend darauf hinweisen, dass die gesamte Physik fiktiv ist – nur in den Köpfen der Menschen existiert – im Gegensatz zur tatsächlichen Natur, die sich so verhält, wie sie sich verhält, ohne zu wissen, wie wir Menschen sie beschreiben und interpretieren. In diesem Sinne ist das, was wir fiktiv oder real nennen, eine Frage der Konvention – und wir haben entschieden, dass die inertialen Bezugsrahmen überlegen sind (und vergessen wir nicht, dass einige Leute von der Inquisition verfolgt wurden, weil sie angeblich diese Ansicht vertreten haben).

Bemerkungen:

• Meine letzte Bemerkung zur Inquisition beruht mehr auf Volksglauben als auf Fakten. Galileo und Giordano Bruno wurden bekanntermaßen von der Inquisition verfolgt (der erste wurde gezwungen, seine Ansichten aufzugeben, der zweite wurde auf dem Scheiterhaufen verbrannt). Die tiefere Betrachtung beider Fälle zeigt jedoch, dass die wahren Gründe für die Strafverfolgung wenig oder gar nichts mit Wissenschaft zu tun hatten.