Для измерения времени мы пользуемся часами, как устроины часы? насолько точно часы идут? При описании прямолинейного движения в системах отсчета, пользуются двумя параметрами измерений, один из которых представляет величину пространственного перемещения, а другой - время, в течении которого исследуемое тело проходит это расстояние.
Время измеряется часами, в основе которых лежат периодически повторяющиеся процессы. К таким процессам относятся колебания гармонического осциллятора около положения равновесия (пружинный маятник) и вращение тела вокруг центра масс.
Галилей, сформулировавший принцип относительности и давший метод преобразования координат, ввел постулат "о равномерности хода часов". Движение тел в системах, движущихся с постоянными скоростями, он сравнивал при помощи "идеальных" часов с абсолютно равномерным ходом.
Как известно, Галилей открыл изохронность малых колебаний маятника, т.е. независимость периода его колебаний от амплитуды. Но это утверждение справедливо только в очень узком диапазоне работы физического маятника и только с определенной степенью точности. Точность хода часов во времена Галилея была слишком мала, чтобы он мог правильно проанализировать поведение всех устройств для отсчета времени. Поэтому понятие однородности и равномерности времени, измеряемого механическими системами, надо отнести к разряду декларативных, а не истинных.
В системе отсчета, время, измеряемое часами, есть не что иное, как путь, проходимый "маятником" часов. При этом, в системе отсчета происходит сравнение путей, проходимых контрольным телом и маятником часов.
В обычных часах время определяется отвлеченным числом, показывающим количество периодов колебаний маятника. Вводя тот или иной масштаб по отношению к "эталонным" часам, получают различные единицы: секунды, минуты, часы и т.д. С физической точки зрения единица времени представляет собой путь, проходимый маятником часов в одном периоде.
В качестве астрономических единиц отсчета времени применялись сутки, неделя, месяц, год, определяемые движением Земли и Луны.
Принятая в настоящее время в качестве единицы измерения секунда по своей сущности не отражает никакого конкретного физического процесса.
Можно изготовить часы, в которых за период колебаний, равный 1 секунде, маятник проходит путь в 1 метр. При таком подходе единицы измерений пути и "времени" будут совпадать по своей пространственной протяженности.
Рассмотрим простой пружинный маятник, состоящий из двух тел, связанных между собой упругим элементом (пружиной).
Рисунок 1
Рисунок 2
На графике (рис.2) представлены колебания маятника с периодом в 1 секунду и амплитудой 0,5 метра. За один цикл (период) маятник (2) проходит 1 метр.
Тогда время в таких часах мы можем измерять в единицах длины, а не в секундах
Tє2A; tєx=2nA;
Период, в этом случае, будет показывать путь, проходимый маятником часов за один полный цикл. При этом, часы должны вести счет количества циклов, прошедших с момента их запуска.
Стандарт или единица измерения "времени" будет определяться конструктивными параметрами "эталонных" часов.
Собственная частота колебаний пружинного маятника определяется выражением:
Период колебаний или единица измерения времени будут, таким образом, определятся выражением
T=2p/w0 = 2p/(k/m)1/2; (3)
Необходимо отметить, что коэффициент (2p) должен иметь размерность длины (м). Входящая в формулу (1) частота колебаний, получена, как "круговая" из тригонометрической функции и означает движение единичного вектора радиусом R, имеющего размерность длины, по окружности, длина которой равна 2pR. Для пружинного маятника это означает вырождение окружности в "эллипс" с одной полуосью длиной pR, равной амплитуде колебания A
A=pR; (4)
С практической точки зрения это означает, что для описания движения (геометрического представления) маятника введены две пространственные координаты линейных перемещений, имеющие масштаб 1/2p, одну из которых стали называть длительностью или временем.
При масштабе равном 1, график движения маятника (линейного осциллятора) представлял бы из себя отрезок прямой линии (рис.3). Движение исследуемого тела по отношению к "часам" свелось бы к сопоставлению отрезков прямых линий.
В качестве "эталона времени", соответствующего 1 секунде в принятых единицах, можно предложить пружинный маятник массой m в 1 килограмм и пружиной с коэффициентом упругости k, равным (2p)2 [Н/м], удвоенная амплитуда колебаний которого равна 1 метру.
Мы можем представлять движение контрольного тела по отношению к часам с помощью двух координат пространственной системы отсчета.
При использовании часов в режиме "секундомера", то есть при начале отсчета совпадающем с моментом пуска часов, и постоянной скорости движения, мы получим прямые линии, характеризующие линейные перемещения контрольных тел по отношению к "маятнику" (рис.4).
Рисунок 4
Скорость перемещения тел в системе "метрических" часов можно определять безразмерными числами или единицами перемещения, отнесенными к количеству циклов (периодов), совершенных часами. Период эталонных часов можно назвать "секундой" и получим общепринятое выражение
Но эталоном скорости наши часы выступать не могут. Так как работа часов всегда сопровождается периодическим движением "маятника" около положения равновесия, то мы получаем процесс под действием знакопеременной силы, вызывающей соответствующие ускорения и, как следствие, изменение скорости.
Получается, что, сравнивая инерциальные системы отсчета, движущиеся с постоянными скоростями, мы определяем их параметры с помощью неинерциальных часов. Это означает, что мы всегда производим сравнение между собой ускоренной и неускоренной систем.
В то же время, большинством авторов отмечается, что нельзя сравнивать процессы, протекающие в ускоренной и неускоренной системах.
Ускоренные системы называют неинерциальными, подчеркивая тем самым, что в них могут не выполняться классические законы механики.
Мы не можем принять обычный пружинный маятник в качестве независимых часов для измерения параметров движущейся системы, так как любому изменению скорости должно предшествовать силовое воздействие. При наличии внешнего воздействия характер колебаний маятника изменяется. В этом случае мы получаем систему с вынужденными колебаниями.
Эти процессы наглядно демонстрируются с помощью программы "Универсальный механизм".
Характер вынужденных колебаний зависит от многих факторов, основными из которых являются частота собственных колебаний и периодичность (длительность) внешнего воздействия. Если изменение скорости системы происходит в результате ударного столкновения с каким-то объектом, то характер вынужденных колебаний будет зависеть от массы, скорости и упругих свойств взаимодействующих тел.
Модель, представленная на рис.5, наглядно демонстрирует процесс изменения "хода" часов при наличии внешнего воздействия, предшествующего изменению скорости системы.
Рисунок 5
Рисунок 6. График колебаний маятника при "отсутствии" внешних сил
Рисунок 7. График колебания маятника при наличии внешних сил
В настоящее время мы можем говорить о "достаточной" точности хода только для атомных часов.
Примем атомные часы для рассмотрения физических процессов в замкнутых системах, движущихся с постоянной скоростью.
Принцип относительности утверждает, что все процессы в таких системах будут протекать одинаково, но любому изменению скорости должно предшествовать силовое воздействие. На примере простого пружинного маятника, мы показали, что характер его колебаний очевидным образом зависит от внешнего воздействия.
Теоретические основы процесса вынужденных колебаний рассмотрены во многих учебных пособиях по механике, но, как взаимодействие двух тел. Во всех учебных пособиях вынужденные колебания осциллятора рассматриваются, как реакция ОДНОГО тела на результирующую двух сил, одну из которых принимают за внутреннюю, а другую за внешнюю. Но вынужденные колебания надо рассматривать, как результат взаимодействия трех тел, а не двух. Нельзя заменить одно другим. Схема, изображенная на (рис.5), несколько отличается от классического представления процессов вынужденных колебаний.
Если взять несколько одинаковых пружинных маятников и приложить к ним равные силы с различным временем действия, то характер вынужденных колебаний у них будет совершенно разным.
Пружинный маятник, установленный на движущемся корабле, автомобиле или другом транспортном средстве, будет изменять характер своих колебаний под действием ускоряющих или тормозящих сил, сохраняя свой "ритм" после снятия силового воздействия, то есть каждому значению скорости движения будет соответствовать свой определенный режим работы маятника.
Обычный акселерометр регистрирует все изменения ускорений, зная которые можно определять и скорость движения. Но акселерометр, в отличие от пружинного маятника, "ничего" не показывает при движении с постоянной скоростью.
Автору удалось достаточно надежно зарегистрировать изменение поведения колебательной системы, вызываемые движением Земли, не говоря о движении транспортных средств. Колебательная система, помещенная в движущийся автомобиль, изменяла характер своего поведения при воздействии внешних сил и сохраняла его при снятии последних. [1]
Гравитационное поле Земли в некоторых случаях может оказывать катастрофическое влияние на такие колебательные системы, как вертолет.
Доказательством тому служат многочисленные "непонятные" катастрофы с вертолетами МИ-8, происходящие при благоприятных погодных условиях на исправных машинах, управляемых опытными пилотами.
При этом колебания конструкции вертолета принимают стохастический характер и не могут быть остановлены действиями пилота. [1]
Кроме общеизвестных закономерностей поведения колебательной системы, автором открыто новое явление, названное "неуравновешенный импульс". [1]
В основе возникновения "неуравновешенного" импульса лежит динамическая взаимосвязь "замкнутых" систем с гравитационным полем. Это означает, что часы в виде одинаковых пружинных маятников, запущенные одновременно на разных планетах, будут идти не синхронно. Ритм работы всех естественных и искусственных колебательных систем, включая часы, постоянно изменяется.
"Неуравновешенный импульс" вносит в динамику вынужденных колебаний существенные поправки, которые не могут быть зарегистрированы или проанализированы традиционными методами.
Нужны специальные методы регистрации и математического анализа. Общие подходы к решению этих проблем показаны в опубликованных материалах автора [1]. Более подробные материалы могут быть опубликованы только после тщательных экспериментальных исследований.
Литература:
1. Шмидт С.Н. "Тайны Относительности". - Черкассы.: "ОКО-Плюс", 2000 г. - 60с.: ил. ISBN 966-7663-10-8 2. Стрелков С.П. Механика. - М.: Наука, 1975 - 569 с. 3. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. - М.: Высшая школа, 1986. - 415 с. 4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1974. - Т.1. - 519 с. 5. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1982. - Т.1. - 431 c. 6. Суханов А.Д. Фундаментальный курс физики. - М.: Агар, 1996. - Т.1. - 536 с.
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
