Inertia ja hitausvoima

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Heliumpallon noste ja lentokoneen siiven kantovoima kumpikin perustuvat ilmamassan hitauden eli inertian ja kiihtyvyyden synnyttämään voimavaikutukseen eli hitausvoimaan. Jostain kumman syystä monilla on käsitys, ettei hitausvoimaa ole olemassakaan paitsi kiihtyvässä koordinaatistossa näennäisvoimana. Kuten kaikki fysiikasta edes jotenkin perillä olevat tietävät, fysiikan lait pätevät koordinaatistosta riippumatta. Voimavaikutukset ovat näinollen myös koordinaatistosta riippumattomia eikä mitään näennäisvoimia ole olemassakaan eikä sellaista termiä tulisi käyttää sekoittamaan selvää ja yksinkertaista asiaa.
Kun kappaletta kiihdytetään voimalla F, kappale vaikuttaa tähän kiihdyttäjään yhtäsuurella, mutta vastakkaissuuntaisella voimalla -F, mikä seuraa suoraan Newtonin kolmannesta laista. Hitausvoiman vastustajat sanovat että kyse on kontaktivoimasta eikä mistään hitausvoimasta. On ajateltava hieman pidemmälle. Mistä se kontaktivoima saadaan kappaleen puolelta silloin kun sen liikettä ei vastusta mikään ulkoinen voima. Tietysti se tulee hitausvoimasta, mikä on kappaleen sisäinen voima ja sen vaikutus piste on siirtynyt kontaktipisteeseen. Inertia on kappaleen jokaisella hiukkasella ja siksi kappaleen sisälle syntyy jännitys eli ilmamassan tapauksessa painegradientti. Tietyllä välillä tämä merkitsee jännitys-/paine-eroa mikä taas pinta-alalla kerrottuna antaa tulokseksi voiman, nimittäin hitausvoiman. Jotkut väittävät, ettei tätä voimaa saisi kutsua voimaksi eikä esittää voimavektorilla vaikka kyseessä on kiistatta todellinen voima ja vektorisuure. Jos väite perustuu oppikirjan tekstiin, niin perusteluja tulisi kysyä oppikirjan tekijöiltä.
Aina kun kyseessä on kiihtyvä massa, mukana ovat hitausvoimat joihin kuuluvat myös keskipakoisvoima. Tosin tehtävät voidaan ratkaista ilman hitausvoimaa, koska se on aina yhtä suuri, mutta vastakkainen kiihdyttävälle voimalle. Vaikka sitä ei laskuissa tarvita eikä käytetä, ei se merkitse ettei sitä olisi olemassakaan. Usein toistettu virhetulkinta on se, että hitausvoima kumoaa kiihdyttävän voiman eikä kappale enää kiihdy. Hitausvoimaan kuitenkin sisältyy tekijänä kiihtyvyys joten tietysti kappale kiihtyy ja sitäpaitsi tuo väite tarkoittaa vain kappaleen ulkoisia voima. Kiihdyttävä voima on kappaleeseen vaikuttavien ulkoisten voimien resultantti. Hitausvoima on kappaleen sisäinen voima ja kohdistuu kiihdyttävää voimaa vastaan mutta ei suinkaan estä kiihdytystä.
Kuten heliumpalloista todettiin, ne liikahtavat kiihdytyksen ja hitausvoimien vaikutuksesta tarkastellaan tilannetta sitten kiihtyvässä tai kiinteässä (=tiehen kiinnitetyssä) koordinaatistossa.

Sivut

Kommentit (1411)

PPo
Seuraa 
Viestejä11619
Liittynyt10.12.2008
korant
Heliumpallon noste ja lentokoneen siiven kantovoima kumpikin perustuvat ilmamassan hitauden eli inertian ja kiihtyvyyden synnyttämään voimavaikutukseen eli hitausvoimaan. Jostain kumman syystä monilla on käsitys, ettei hitausvoimaa ole olemassakaan paitsi kiihtyvässä koordinaatistossa näennäisvoimana. Kuten kaikki fysiikasta edes jotenkin perillä olevat tietävät, fysiikan lait pätevät koordinaatistosta riippumatta. Voimavaikutukset ovat näinollen myös koordinaatistosta riippumattomia eikä mitään näennäisvoimia ole olemassakaan eikä sellaista termiä tulisi käyttää sekoittamaan selvää ja yksinkertaista asiaa.
Kun kappaletta kiihdytetään voimalla F, kappale vaikuttaa tähän kiihdyttäjään yhtäsuurella, mutta vastakkaissuuntaisella voimalla -F, mikä seuraa suoraan Newtonin kolmannesta laista. Hitausvoiman vastustajat sanovat että kyse on kontaktivoimasta eikä mistään hitausvoimasta. On ajateltava hieman pidemmälle. Mistä se kontaktivoima saadaan kappaleen puolelta silloin kun sen liikettä ei vastusta mikään ulkoinen voima. Tietysti se tulee hitausvoimasta, mikä on kappaleen sisäinen voima ja sen vaikutus piste on siirtynyt kontaktipisteeseen. Inertia on kappaleen jokaisella hiukkasella ja siksi kappaleen sisälle syntyy jännitys eli ilmamassan tapauksessa painegradientti. Tietyllä välillä tämä merkitsee jännitys-/paine-eroa mikä taas pinta-alalla kerrottuna antaa tulokseksi voiman, nimittäin hitausvoiman. Jotkut väittävät, ettei tätä voimaa saisi kutsua voimaksi eikä esittää voimavektorilla vaikka kyseessä on kiistatta todellinen voima ja vektorisuure. Jos väite perustuu oppikirjan tekstiin, niin perusteluja tulisi kysyä oppikirjan tekijöiltä.
Aina kun kyseessä on kiihtyvä massa, mukana ovat hitausvoimat joihin kuuluvat myös keskipakoisvoima. Tosin tehtävät voidaan ratkaista ilman hitausvoimaa, koska se on aina yhtä suuri, mutta vastakkainen kiihdyttävälle voimalle. Vaikka sitä ei laskuissa tarvita eikä käytetä, ei se merkitse ettei sitä olisi olemassakaan. Usein toistettu virhetulkinta on se, että hitausvoima kumoaa kiihdyttävän voiman eikä kappale enää kiihdy. Hitausvoimaan kuitenkin sisältyy tekijänä kiihtyvyys joten tietysti kappale kiihtyy ja sitäpaitsi tuo väite tarkoittaa vain kappaleen ulkoisia voima. Kiihdyttävä voima on kappaleeseen vaikuttavien ulkoisten voimien resultantti. Hitausvoima on kappaleen sisäinen voima ja kohdistuu kiihdyttävää voimaa vastaan mutta ei suinkaan estä kiihdytystä.
Kuten heliumpalloista todettiin, ne liikahtavat kiihdytyksen ja hitausvoimien vaikutuksesta tarkastellaan tilannetta sitten kiihtyvässä tai kiinteässä (=tiehen kiinnitetyssä) koordinaatistossa.

Kappaleen kiihtyvyys riippuu koordinaatiston valinnasta.
N(II):n mukaan kiihtyvyys on peräisin kappaleeseen vaikuttavista voimista niin eikö tällöin voimatkin ole riippuvaisia koordinaatiston valinnasta
Kappaleen (systeemin ) sisäiset voimat kumoavat toisensa N(II):n mukaan joten niillä ei ole mitään ulkoista vaikutusta.
Minusta sinä käytät hitausvoiman käsitettä ei aivan tavanomaisessa merkityksessä.

Vierailija
PPo
Kappaleen kiihtyvyys riippuu koordinaatiston valinnasta.
Aivan, voit kehitellä levossa olevalle kappaleelle mitä mielikuvituksellisimpia kiihtyvyyksiä ja liikkeitä laittamalla koordinaatiston liikkumaan tällä mielikuvituksellisella tavalla. Mutta kappale on edelleen levossa eikä siihen vaikuta muita voimia kuin gravitaatio ja tukivoima.
Jos koordinaatistoksi on valittu kiihtyvä koordinaatisto, on kappaleen kiihtyvyyteen valitussa koordinaatistossa lisättävä koordinaatiston kiihtyvyys jotta voimavaikutukset voidaan laskea oikein. Tämä sen sijaan, että keksittäisiin joitain "näennäisvoimia". Kuten avaruusaluksessa, jolla on tietty vakiokiihtyvyys, kappale painautuu lattiaa vasten voimalla -a·m. Voima ei riipu koordinaatistosta ja on todellinen voima ja vektorisuure.

David
Seuraa 
Viestejä8875
Liittynyt25.8.2005
Tuo hitausvoimahan voidaan tulkita näin.

F<--------O-------->ma
a<--------I

Nyt tuosta näkyy, että hitausvoima vastustaa kiihdytystä tekijällä m*a, kiihtyvyyden ollessa a kiihtyvyysvektorin osoittamaan suuntaan. Nyt siitä nähdään kiihtyvyysvektorin perusteella, että tilanne ei ole tasapainossa. Ja mikä tärkeintä, nähdään se että kappaleeseen on synnyttävä sisäinen jännitys. Se jännityskuvio ei tosin ole symmetrinen, joten tuo ma-termi ei ole voimaa vastaava siinä mielessä. Jos kyseessä olisi varsinainen voima, kappalee jännityskuvio olisi symmetrinen.

Vierailija
David
Se jännityskuvio ei tosin ole symmetrinen, joten tuo ma-termi ei ole voimaa vastaava siinä mielessä. Jos kyseessä olisi varsinainen voima, kappalee jännityskuvio olisi symmetrinen.
Miksi epäsymmetrinen jännitysjakauma muuttaisi voimavaikutuksen joksikin muuksi kuin voima? Mikä vuorovaikutus on kyseessä ellei voima. Jännitys kerrottuna pinta-alalla on voima, ellei niin mikä sitten?

Vierailija

Käsitän inertian massan kineettisenä energiatasona. Sellainen on aina, riippumatta massan nopeudesta, joka taas on verrannollinen koordinaatistoon, jossa sitä käsitellään. Kun energialla on suunta, sitä yleensä kutsutaan voimaksi.

Tälle energialle ja sen suunnalle vastakkainen voima muuttaa massan nopeutta vaikuttavan voiman koordinaatistossa. (Missä tahansa koordinaatistossa, itseasiassa). Miksi ihmeessä massan energiatasoa muuttavan voiman vastavoima, joka siis aiheutuu massan omasta energiatasosta, ei olisi voima.

Oliko riittävän epäselvä juttu? Jos ette usko, voin piirtää vektorin. Mutta tänään ei jaksa, teen sen vaikka huomenna.

Hitausvoiman nimittäminen uudelleen, tai pikemmin poistaminen oikeiden voimien joukosta taitaa olla jonkinlainen muotijuttu, trendi. Oppikirjoja ei voi myydä jokaiselle vuosikurssille erikseen, ellei jotain veivata. Kun perusfysiikka ei muutu, pitää keksiä muita keinoja.

Jotenkin tuntuu, että tästäkin saattaa tulla pitkähkö ketju, kunhan nyt yksi überosaaja taas herää.

Vierailija
Electric shadow
Käsitän inertian massan kineettisenä energiatasona. Sellainen on aina, riippumatta massan nopeudesta, joka taas on verrannollinen koordinaatistoon, jossa sitä käsitellään. Kun energialla on suunta, sitä yleensä kutsutaan voimaksi.
Massan hitauteen liitty todellakin kineettinen energia saumattomasti. Kun massaa kiihdytetään, sen liike-energia kasvaa joten kiihdytyksen yhteydessä tehdään työtä joka siirtyy hitausvoiman välityksellä massaan liike-energiaksi. Kiihtyvä massa ei siis voi ottaa energiaa vastaan luomatta kiihtyvyyttä vastustavaa voimaa. Vastaavasti kun liikkuva massa hidastuu, se luovuttaa liike-energiaansa hitausvoiman välityksellä eli hitausvoima tekee työtä esim. kitkavoiman voittamiseen. Tämä on ehkä havainnollisempaa tutkimalla laturia. Laturi ottaa vastaan mekaanista energiaa vastustamalla pyörimistä latausvirran synnyttämän vääntömomentin avulla. Jos laturin johdin on irti, ei synny virtaa eikä vastustavaa momenttia eikä laturi voi myöskään ottaa vastaan mekaanista energiaa paitsi omien kitkahäviöiden verran. Laturin pyörittämiseen ei myöskään voi syntyä vääntömomenttia. Sama jousella. Jousen venyttäminen eli jännittäminen edellyttää työtä joka varastoituu jousienergiaksi jousivoiman vastustaessa venytystä. On huomattava, että jousta on vedettävä molemmista päistä, toisessa päässä vetävänä voimana on yleensä tukivoima jonka vaikutuspiste on kiinteä. Tukivoima on kaiketi todellinen voima.
Sijoitetaan jousi sitten pyöritettävän massan ja sen kiinnityspisteen välille. Pyöriessä jousi vetää massaa puoleensa keskihakuisvoimalla ja massa taas venyttää jousta keskipakoisvoimalla. Nyt joidenkin mielestä tämä keskipakoisvoima ei ole oikea voima tai ei ole edes olemassa. Kuinka ihmeessä jousi voisi sitten venyä?
Keskipakoisvoiman kieltäjät! Selittäkääpä tämä!

David
Seuraa 
Viestejä8875
Liittynyt25.8.2005
korant
David
Se jännityskuvio ei tosin ole symmetrinen, joten tuo ma-termi ei ole voimaa vastaava siinä mielessä. Jos kyseessä olisi varsinainen voima, kappalee jännityskuvio olisi symmetrinen.
Miksi epäsymmetrinen jännitysjakauma muuttaisi voimavaikutuksen joksikin muuksi kuin voima? Mikä vuorovaikutus on kyseessä ellei voima. Jännitys kerrottuna pinta-alalla on voima, ellei niin mikä sitten?

Enhän minä sanonutkaan että se ei olisi voima lainkaan, sanoin vain että se ei aiheuta samanlaista sisäistä jännitysjakaumaa, kuin toinen paikallaanpitävä (kiihtymisen estävä) voima.

En vaan viitsisi ruveta tästä voimakäsitteestä muiden kanssa kovin kauheasti kättä vääntämään.

Vierailija
David
Jos kyseessä olisi varsinainen voima
Tämän lauseen tulkitsin ettei kyseessä olisi varsinainen voima. Selvähän se, että jännityskuvio on erilainen koska kullekin poikkipinnalle tulee voimaa sen verran kun sen kiihdytyksen suunnan puoleisella osalla on massaa.
Mutta kysyn vielä hitausvoiman kieltäjiltä, miten mielestänne tässä toteutuu Newtonin kolmas laki. Hitausvoimahan on sen kiihdyttävän voiman vastavoima.

Vierailija

Hitausvoimaperiaatetta kutsutaan usein d'Alembertin periaatteeksi. Siinä dynamiikan tehtävä muutetaan statiikan tehtäväksi. Kuitenkin hitausvoima ei ole oikea voima koska sillä ei ole vastavoimaa. Taitaa olla tuo hitausvoima-ajattelu voimissaan enää lujuusopin kaavojen sovittamiseksi.

Vierailija
puolikas
Kuitenkin hitausvoima ei ole oikea voima koska sillä ei ole vastavoimaa.
Juurihan tuossa edellä kerroin, että hitausvoima on kiihtyvyyttä vastustava voima eli kiihdyttävän voiman vastavoima. Ei vastavoimalla tarvitse olla vastavoimaa tai oikeastaan kiihdyttävä voima ja sitä vastustava hitausvoima ovat toistensa vastavoimia.
Miksi kiihdyttämiseen ylipäätään tarvitaan voimaa, ellei ole kiityvyyttä vastustavaa todellista voimaa eli hitausvoimaa?
Vaikuttaa siltä, että hitausvoiman vastustajat ovat lukeneet fysiikkansa ns. "ulkolukuna" sen enempää pohtimatta tai ajattelmatta. Näitä kirjasta luettuja lauseita sitten toistetaan ajattelematta niiden merkitystä.

Vierailija
jees
Siis tässä nyt ollaan massan hitaus vaihtumassa näennäisvoimaksi sentrifugaalivoiman tilalle?
Jees jees, sitähän siinä yritetään. Sentrifugaalitopikissa tästä keskusteltiin pitkään ja hartaasti. Sentrifuugissa tarvitaan keskihakuisvoimaa keskipakoisvoiman kumoamiseksi. Muutenhan kappale irtoaisi ja jatkaisi liikettään suoraviivaisesti.

jepajee
Seuraa 
Viestejä22001
Liittynyt29.12.2009
korant
jees
Siis tässä nyt ollaan massan hitaus vaihtumassa näennäisvoimaksi sentrifugaalivoiman tilalle?
Jees jees, sitähän siinä yritetään. Sentrifugaalitopikissa tästä keskusteltiin pitkään ja hartaasti. Sentrifuugissa tarvitaan keskihakuisvoimaa keskipakoisvoiman kumoamiseksi. Muutenhan kappale irtoaisi ja jatkaisi liikettään suoraviivaisesti.



Eli siis ymmärsin oikein ajatellessani että tässä kumotaan Newtonin mekaniikan 1. lakia? Vai siis että keskipakoisvoima liitetään siihen?

Olen pahoillani, mutten saa kiksejä siitä. :/
Jatkakaa toki.

Vierailija

On se kumma,että fysiikan opetus on ristiriidassa käytännön kanssa. University Physics 12. ed. sivu 118 "ma is not a force." Sieltä se älyttömyys on lähtenyt.

Ei ole keskipakovoimaa!
Falsifiointi. Käytännön kokeessa pannaan kilon punnus ohuehkoon lankaan ja aletaan pyörittää. Kun kun kierroksia on riittävästi, lanka katkeaa keskipakovoiman johdosta. Keskihakuvoima sopii jotenkin vain planeettojen liikkeitä kuvaamaan. Sitäkin liikettä vetovoima, joka kumoaa keskipakovoiman, kuvaisi paremmin.

Ei ole hitausvoimaa!
Falsifiointi. Tehdään äskeinen koe nykäisemällä langasta niin nopeasti, että lanka katkeaa. Punnuksen hitausvoima katkaisi langan. Oppikirja sanoo edelleen autoa kiihdytettäessä "common sence to think there is a force of acceleration, but there is no such force, instead your inertia causes you to tend to stay at rest to the earth, and a car accelerates around you.

On siis koulukirja fysiikkaa ja käytännön fysiikkaa. Jälkimmäistä olisi varmaan helpompi opettaa koululaisille, jotka ajattelevat eivätkä opettele ulkoa. Ilmankos fysiikkaa pidetään vaikeana. Saapa nähdä koska muoti vaihtuu.

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat