В классической механике Ньютона при переходе из одной инерциальной системы отсчета (ИСО) в другую (согласно преобразованиям Галилея) инвариантными (неизменными) остаются те силы, значение которых зависит от взаимного расположения тел или их относительных скоростей. Согласно второму закону Ньютона, сила определяется как . Поскольку в рамках преобразований Галилея ускорение является инвариантом (оно одинаково во всех ИСО), то и результирующая сила сохраняет свое значение и направление. Основные типы инвариантных сил Ниже приведен перечень сил, которые не меняются при смене инерциальной системы координат:
- Сила всемирного тяготения (Гравитационная сила):
Зависит только от масс тел и расстояния между их центрами масс. Формула:
Так как массы и расстояние между точками в классической механике абсолютны, сила тяжести остается неизменной. Силы упругости:
Возникают при деформации тел. Величина силы (например, по закону Гука ) зависит от величины деформации , которая представляет собой разность координат точек одного и того же тела. Эта разность не меняется при переходе между ИСО. Силы трения (покоя и скольжения):
Сила трения зависит от коэффициента трения и силы нормальной реакции опоры . Поскольку эти параметры определяются внутренними взаимодействиями поверхностей и перпендикулярными составляющими других инвариантных сил, сила трения также является инвариантом. Силы вязкого трения (сопротивления среды):
Хотя скорость тела меняется при переходе из одной ИСО в другую, сила сопротивления среды зависит от относительной скорости тела относительно самой среды ( ). Эта разность скоростей остается постоянной в любых ИСО. Электростатические силы (Кулоновские):
Зависят от величины зарядов и расстояния между ними. Поскольку заряд и расстояние инвариантны в классической механике, сила взаимодействия неподвижных зарядов не меняется.
Особенности электродинамики (Сила Лоренца) Важно отметить, что в случае электромагнитных взаимодействий ситуация сложнее:
- Магнитная составляющая силы Лоренца зависит от скорости частицы.
- При переходе из одной ИСО в другую скорость меняется, что, на первый взгляд, должно изменить силу.
- Однако, согласно теории относительности, при переходе в другую систему отсчета изменяются также значения напряженностей электрического и магнитного полей.
В итоге суммарная сила Лоренца остается инвариантной (или ковариантной в релятивистском смысле), обеспечивая выполнение принципа относительности. Что никогда не является силой в ИСО? При анализе инерциальных систем следует помнить, что силы инерции (центробежная, сила Кориолиса и др.) в них отсутствуют по определению. Они возникают только при переходе в неинерциальные системы отсчета и не являются результатом взаимодействия тел, поэтому к данному вопросу не относятся. Хотите, я составлю таблицу сравнения физических величин, которые меняются и которые остаются неизменными при преобразованиях Галилея?