Центробежные и центростремительные силы встречаются в нашей обыденной жизни повсеместно и почти ежедневно.
При резком повороте автомобиля центробежная сила прижимает нас к стенке автомобиля. При выходе автомобиля из поворота, стенка автомобиля, выполняющая роль центростремительной силы, возвращают нас в прежнее положение. Попавший в нас камешек из-под колеса грузовика напоминает нам, что есть некоторая сила, которая привела этот камешек в движение. Обычно это мы относим на счет центробежных сил. При вращении ведерка с водой на веревочке в вертикальной плоскости мы видим, что вода не выливается из ведра даже тогда, когда оно находится вверх дном. Ведь что-то ее держит в ведерке, несмотря на то, что на ее действует сила гравитации. Мы полагаем, что это центробежная сила. Знаем, что Луну притягивает гравитация Земли, но Луна все никак не приближается к Земле и никак не упадет на нее. По-видимому, в этом повинна центробежная сила. Расплавленные кусочки металла отрываются от заточного вращающегося камня в виде красивой струи под действием тех же сил. Как видим явлений, в которых наблюдается действие центробежных сил великое множество.
Точно также мы наблюдаем множество центростремительных сил. Веревочка, которая удерживает ведерко с водой при вращении, внешнее кольцо шарикоподшипника удерживает от разлета шарики или ролики, удержание планет и звезд на орбитах – все это примеры действия центростремительных сил.
Считается что центробежная и центростремительная силы антиподы, если одна сила пытается двигать тело в одном направлении, то другая будет обязательно действовать в противоположном направлении, стремясь компенсировать действия первой. Но на данном этапе понимания этих сил мы видим между ними огромную разницу.
Дело в том, что при наблюдении центростремительной силы мы всегда можем указать физический носитель данной силы. Например, если видим какое-нибудь тело, лежащее на вращающемся круге, и оно никуда не движется, то говорим, что силы трения компенсируют центробежную силу. Силы трения и представляют центростремительную силу. Как только скорость вращения увеличится центробежная сила, по нашим представлениям, превысит силу трения, то есть центростремительную силу, и тело соскользнет с вращающегося круга. В данном случае сцепление между атомами круга и тела и является физическим носителем данной силы. Между вращающимся ведерком и рукой центростремительную силу представляет цепочка атомов в виде веревки. Физическим представителем, представляющим центростремительную силу для шарика в шарикоподшипнике, является внешнее кольцо. Гравитация удерживает на орбитах планеты. Магнитное поле в электродвигателях или ускорителях закручивает траектории электронов или других частиц.
А что является носителем центробежной силы, если таковой существует? В БСЭ даются такие определения этой силы.
“Центробежная сила, сила, с которой движущаяся материальная точка действует на тело (связь), стесняющее свободу движения точки и вынуждающее её двигаться криволинейно.
При применении к решению задач динамики Д'Аламбера принципа термину "Ц. с." придают иногда др. смысл и называют Ц. с. составляющую силы инерции материальной точки, направленную по главной нормали к траектории. Изредка Ц. с. называют также нормальную составляющую переносной силы инерции при составлении уравнений относительного движения”.
Как видим, есть попытки связать центробежную силу с силами инерции и это абсолютно верно. Но поскольку в современной науке нет четкого понятия, что представляют силы инерции, что является физическим носителем инерции, то и формулировка центробежной силы туманна и расплывчата.
Действительно, мы силу инерции всегда представляем как пассивную силу. Когда на тело действует некоторая сила, то тело благодаря инерции сопротивляется этой силе, никогда не превышая своих полномочий. Какая сила на тело воздействует, ровно с такой силой тело отвечает на данное воздействие. Ни больше, ни меньше. Сила инерции может сохранять импульс движения при движении тела по инерции. Конечно, видя камень, летящий из-под колеса автомобиля, можно сказать, что он летит по инерции, как пуля, выпущенная из винтовки. Пуля получила импульс движения от пороха, сжатого воздуха или чего-нибудь другого. А камень от чего получил импульс? Можно сказать, что от колеса, но это как-то туманно. Положите на плоскость без трения (лед) шарик и попытайтесь его двигать вращающейся палочкой, как стрелкой часов. Если между палочкой и шариком будет минимальное трение, то мы увидим, что шарик начнет двигаться не только в сторону, но и вдоль палочки. Повернув палочку на 3600, при определенной длине палочки, можно будет увидеть смещение шарика по палочке. С другой стороны мы видим, что сила воздействия палочки на шарик проходит все время через его центр, и поэтому никак не может двигать шарик от центра вращения палочки. Напротив, нам кажется, что мы шарик “подгребаем” к центру вращения палочки. Так мы пытаемся подкатить к себе мячик, яблоко или какой-нибудь другой круглый предмет палкой. Но какая-то сила все время стремится отодвинуть эти предметы от нас. Как мы увидим ниже это и есть центробежная сила.
Конечно, можно построить центробежную силу в том понятии, какое мы интуитивно вкладываем в это явление – “силу двигающую тело от центра”. Например, такая модель показана на рисунке 1.
Рассмотрим колесо, в котором вместо спицы расположена конструкция из двух пружин А и Б с телом С, прикрепленном между пружинами. Пружина Б закреплена в центре колеса, а пружина А шарнирно прикреплена к ободу. Пружины изначально напряжены на сжатие, то есть растянуты. Точкой равновесия напряжений пружин является точка 1, в которой покоится наше тело, пока колесо не вращается. Если отсоединим тело от пружины А, то тело начнет двигаться под действием пружины Б к центру колеса. Данная сила выступает в роли центростремительной силы. Если тело отсоединим от пружины Б, то тело под действием пружины А будет двигаться от центра колеса, причем строго от центра колеса. Такая сила нам представляется как центробежная сила.
Закрутим колесо с некоторой скоростью. Когда скорость установится, тело выйдет из точки 1 и остановится, например, в точке 2 и будет двигаться по траектории с. Если оборвать связь тела с пружиной Б, то опыт покажет, что тело будет двигаться по вектору 2i. При увеличении скорости вращения напряжение в пружине А будет становиться все меньше и меньше. Составляющая скорости тела от напряжения пружины А (направление 2к) будет становиться все меньше и вектор 2i будет все больше прижиматься к вектору 2j. И когда напряжение в пружине А станет равным нулю, данные векторы будут совпадать.
Когда пружина А тянула тело к ободу нам было понятно, что в растянутой пружине как-то напряглись ковалентные связи между атомами металла и затем при сжатии пружина тянула тело к краю колеса. Но какие физические процессы создали некоторый добавок силы к силе пружины, что совместно они передвинули тело из точки 1 в точку 2 при вращении колеса? В пределах молекулярной или атомарной точек зрения на этот вопрос ответа нет. А с точки зрения квантовой физики этот вопрос решаем.
Рассмотрим тело в виде электрона на нити в отсутствии всяких сил, в том числе и гравитации (Рис. 2 а)). Такое состояние тел может сохраняться, как угодно долго. Потянем силой Fн за нить к центру О, если тело представлено одним электроном, то оно излучит фотон, соответствующей энергии, чем создаст инерционную силу в виде силы инерции Fи. Если бы не было силы инерции, то тело приобрело бы скорость mvн= Fнt. Но сила инерции погасит часть скорости на величину mvи= Fиt. Со скоростью v = vн – vи тело будет двигаться к центру, где vн – скорость от силы натяжения нити, vи – скорость от силы инерции.
Такое деление сил является достопримечательным процессом. Спрашивается – а в какой пропорции делится возбуждающая сила между кинетической энергией электрона и излучаемого им фотона? По существу это деление энергии приложенной силы на кинетическую и потенциальную энергии электрона. Формула Ft=mv не особо-то любима учеными людьми, они обычно пользуются формулой m1v1 = m2v2. Да, последняя формула показывает, как сохраняется импульс и в классической механике и в квантовой механике, но она частично маскирует физические процессы, происходящие при этом. Замаскированную часть процесса – изменение скорости тела мы наблюдаем довольно часто. Когда мы в чистой комнате берем какую-нибудь пыльную вещь, мы пытаемся ее двигать осторожно, не делая резких движений. С другой стороны, когда мы выбиваем на улице ковер или другую вещь, то мы, что есть мощи, бьем их палкой. Почему мы так делаем? В первом случае мы хотим, чтобы ни одна пылинка не изымалась из системы, чтобы не попасть в воздух, а во втором случае все наоборот – пытаемся вытрясти всю пыль из вещи. Точно такая ситуация происходит и с телом. Согласно эмиссионной теории Вальтера Ритца и положениям квантовой механики ускоряемое тело излучает фотоны, то есть кусочки энергии (массы), в результате чего его потенциальная энергия увеличивается (потенция тела заключается в возможности поглощать фотоны и превращать их в свою кинетическую энергию).
Чтобы более детально разобраться в видах энергии рассмотрим рисунок 3.
Тело А может излучать фотоны, которые способен поглощать электрон. Предположим, что тело А и ядро атома находятся в состоянии покоя, а электрон движется вокруг ядра. Находясь на каком-то промежуточном уровне электрон способен поглотить или излучить тот или иной фотон. Если тело А способно излучить фотон, который может поглотить электрон, то этот фотон будет поглощен и его внутренняя энергия будет конденсирована в массу электрона, а кинетическая энергия фотона трансформируется в кинетическую энергию электрона. Электрон и, соответственно, весь атом двинутся к телу. Если во время движения атома к телу А электрон окажется способен поглотить следующий резонансный фотон, то атом снова ускорится. Это режим гравитации. Вот это количество энергии поглощенных фотонов электроном атома и есть потенциальный запас энергии атома относительно тела А. Потенциальный запас пудовой гири на Земле значительно отличается от потенциального запаса этой же гири на Луне.
Находящиеся в одном и том же положении тело А и атом могут обладать различным количеством потенциальной энергии. В пределе, когда электрон находится в положении, когда он уже излучил все что мог и представляется в виде свернутого фотона, а это уже световая скорость электрона в атоме, то в это время он обладает самой большей потенцией, так как он может поглотить максимальное количество энергии.
В этом месте, кажется, возникает некоторое недоразумение. Если тело А и электрон движутся с одинаковой скоростью и в этом случае электрон уже обладает определенной скоростью, то и любой другой электрон, попадая на место нашего электрона, должен обладать такой же кинетической энергией и, соответственно, потенциальной. В действительности это не так. Мы знаем, что для генерации фотона определенной энергии следует приложить соответствующую силу, меньшая сила не сможет при определенных условиях заставить электрон излучить фотон, но ускорять электрон эта сила может сколь угодно много, наращивая или уменьшая его кинетическую энергию. Таким образом, электрон будет изменять свою скорость и кинетическую энергию, не меняя потенциальных возможностей. То есть одну и ту же величину mv в формуле Ft=mv мы можем получить при различных сочетаниях F и t. Но не всякая величина F способна изменить внутреннюю энергию электрона. Это несколько похоже на такой грубый пример. Кусок каменного угля обладает внутренней энергией, которая при горении выделяется в виде тепла, и в то же время кусок угля может обладать кинетической энергией, если его бросить. Скорость куску угля можно придать, толкая его с определенной силой F1 некоторое время t1. Можно получить такую же скорость, значительно увеличив силу F2 > F1, сократив время действия силы t2 < t1. Если силу увеличить до такой величины, что она будет превышать силу сцепления между атомами углерода в угле, то кусочки угля будут отлетать от основного массива, подобие излученных фотонов. Это значит, что в одном и том же месте пространства могут существовать тела с одной и той же кинетической энергией и с различной потенциальной энергией и наоборот. Это и позволяет создать большой спектр всевозможных соединений от алмаза до живой материи.
Возвратимся к рисунку 2. Если тело будет содержать не один электрон, а два, то один и тот же импульс Fн телу придаст скорость равную v/2. Чем больше масса тела, тем меньшую скорость оно получит от одного и того же импульса (Рис. 2 б)).
Пусть тело в виде электрона движется со скоростью V по траектории b (Рис. 2 в)). В точке а оно подцепляется к нити. Если бы нити не было, то тело так бы и двигалось по траектории b, по прямой траектории. В точке а нить на тело никакого воздействия не производит. Дальше нить будет натягиваться.
С классических позиций физики представляется, что электрон вращается строго по окружности, классическая физика это допускает. Но когда входишь в квантовый мир, то видишь, что это не так. Представьте вместо веревки цепочку атомов, образованную ковалентными связями. Казалось бы, ее можно растягивать и сжимать, как резину на любые величины. Такое представление возникает из-за того, что представляется возможным прогибать или растягивать электронные орбиты атомов. К нашему удивлению так не бывает. Вода этому прямое доказательство – ее нельзя сжать. Самую малую величину, на которую можно растянуть или сжать орбиту электрона, это расстояние между двумя уровнями, энергии которых различаются на 1 квант. Это безумно малая величина и поэтому скачек удлинения или сокращения нити на эту величину мы заметить не можем. Обычно электроны переходят из одного уровня на другой, излучая и поглощая фотоны, а они содержат множество квантов, то есть фотоны. По этой причине тело движется в режиме колебаний относительно какой-то средней окружности.
В какой-то момент натяжение веревки изменит скорость электрона с величины V на v1 . Изменение скорости электрона приведет к излучению им инерционного фотона Fи, из-за центростремительного ускорения. Импульс этого фотона своими составляющими Fт погасит скорость v1 до скорости V, а центробежная сила, составляющая Fц , возвратит электрон на прежнюю орбиту (Рис. 2 г)).
Центробежная сила будет двигать тело от точки крепления нити, нить снова натянется и опять создаст центростремительный импульс. Процесс повторится вновь, и тело будет двигаться по круговой орбите, колеблясь вокруг некоторой средней окружности. Сила натяжения нити будет то усиливаться, то уменьшаться. Соответственно будет изменяться и центробежная сила. Эти величины будут зависеть от скорости V , от массы тела и длины нити. В установившемся режиме центростремительная сила в виде натяжения нити будет переливаться через инерционный фотон в центробежную силу, а центробежная сила будет переходить в натяжение нити, провоцируя генерацию фотона. Средняя величина этих сил одинакова по модулю и противоположна по знаку.
Ее величина определяется формулой: 
где, m – масса тела, v – скорость тела, r – длина нити.
Внимательный читатель сразу может найти изъян в этой модели. Электрон в каждом цикле излучает фотон и, в конце концов, должен будет испариться полностью. Это так. Один электрон так двигаться не сможет. Он может двигаться так только в составе атома. Атом погасит инерционный импульс, затормозит электрон, и электрон будет обязан поглотить соответствующий фотон, чтобы занять прежний уровень в атоме. Надо никогда не забывать, что мы живем в мире фотонов, намного более плотном, нежели мир воздуха вокруг нас.
Из сказанного можно сделать вывод, что центробежную силу представляют инерционные фотоны, которые генерируются телом при его ускорении.
Мы рассмотрели движение одного электрона на веревочке. Если на веревочке будет вращаться тело, то в нем будет множество электронов, которые будут вести себя так, как описано выше. Но остальная часть электронов может не участвовать в формировании центробежной силы. Хотя может быть так, что не участвующие электроны в этом процессе при данной орбитальной скорости, начнут действовать при другой скорости, а участвовавшие в процессе ранее электроны могут выйти из игры. Так получается потому, что в любом теле имеется множество электронов с различными абсолютными скоростями.
А что происходит, если центростремительной силой выступает не натяжение нити, а гравитация?
Почти такие же процессы происходят, если роль нити исполняет гравитация. Просто близкодействие нити и тела заменено дальнодействием тела, излучающего фотоны гравитации, на притягиваемое тело. Здесь важно только то, чтобы были резонансные пары (фотон - электрон).
Если тело, движущееся около объекта обладающего свойством гравитации, то есть объекта излучающего фотоны, будет обладать свойством поглощать эти резонансные фотоны, то такое тело получит импульс движения в направление к телу, генерирующему фотоны гравитации. Энергия фотона гравитации поделится между кинетической энергией тела и фотоном инерции. Если это единственный фотон, а движущееся тело представляет электрон, то тело изменит, в большей или меньшей мере, свою траекторию и будет двигаться по новой траектории. В случае, когда электрон после поглощения фотона и изменения свой скорости приобретет свойство поглощать следующий фотон, то цепочка таких поглощений может привести к падению электрона на тело, естественно, тело не должно обладать магнитными свойствами, как ядро атома, способными развернуть направление движения тела. Это будет обычное изменение потенциальной энергии.
Несколько другая картина наблюдается, если электрон связан, например, в атоме. В этом случае электрон, поглотивший резонансный фотон, будет двигаться по направлению к телу, излучившему фотон, но ядро, да и остальные составляющие атома будут двигаться прямо, и положительное электрическое поле ядра будет противодействовать движению электрона к телу. Данное положительное поле и будет выполнять для электрона роль центробежной силы, подобно пружине А на рис. 1. Мы видели, что роль центростремительной силы может выполнять веревочка, гравитация. Для этой роли подходят магнитные и электрические поля или наружное кольцо шарикоподшипника и т.д. Так же и центробежные силы могут иметь различные формы, хотя все они, как и всякие силы, сводятся к электромагнитным силам.
После того как электрон поглотил фотон гравитации, он двинулся к телу излучившему этот фотон, увлекая за собой весь атом. Связь между электроном и атомом напряглась, подобно пружине А. Но вскоре импульс фотона, как импульс при натяжении веревочки, закончился. Теперь, внутреннее напряжение в атоме заставит электрон двинуться в обратном направлении, то есть изменить свое ускорение на противоположное, чем заставит электрон поглотить фотон энергии, равной при излучении инерционного фотона. Результатом этих процессов явиться электрон, готовый к поглощению следующего гравитационного фотона. Если это будет такой же фотон, то при соответствующей исходной скорости может получиться круговое движение. При других скоростях тело может двигаться по какой-нибудь эллиптической орбите.
