Absolutní rotace - Absolute rotation
Ve fyzice je koncept absolutní rotace - rotace nezávislá na jakémkoli externím odkazu - tématem debaty o relativitě , kosmologii a povaze fyzikálních zákonů .
Aby měl koncept absolutní rotace vědecky smysl, musí být měřitelný. Jinými slovy, může pozorovatel rozlišovat mezi rotací pozorovaného objektu a jeho vlastní rotací? Newton navrhl dva experimenty k vyřešení tohoto problému. Jedním z nich jsou účinky odstředivé síly na tvar povrchu vody rotujícího v kbelíku , což je ekvivalent fenoménu gravitační rotace, který se používá v návrzích lidských vesmírných letů . Druhým je účinek odstředivé síly na napětí v řetězci spojujícím dvě koule rotující kolem jejich středu hmoty.
Klasická mechanika
Newtonův argument
Newton navrhl, že tvar povrchu vody naznačuje přítomnost nebo nepřítomnost absolutní rotace vzhledem k absolutnímu prostoru : rotující voda má zakřivený povrch, nehybná voda má plochý povrch. Vzhledem k tomu, rotující vodu má konkávní plochu, pokud je povrch vidíte, je konkávní, a voda se nezdá, abyste se otáčí, pak jste se otáčejí s vodou.
Odstředivá síla je nutná k vysvětlení konkávnosti vody v souběžně se otáčejícím referenčním rámci (ten, který se otáčí s vodou), protože voda se v tomto rámci objevuje nehybně, a proto by měla mít rovný povrch. Pozorovatelé, kteří se dívají na stacionární vodu, potřebují odstředivou sílu, aby vysvětlili, proč je vodní plocha konkávní a není rovná. Odstředivá síla tlačí vodu směrem k bokům vědra, kde se hromadí hlouběji a hlouběji, hromadění se zastaví, když jakékoli další stoupání stojí tolik práce proti gravitaci, jako je energie získaná odstředivou silou, která je větší při větší poloměr.
Pokud potřebujete odstředivou sílu k vysvětlení toho, co vidíte, pak se otáčíte. Newton dospěl k závěru, že rotace je absolutní.
Jiní myslitelé naznačují, že čistá logika znamená, že smysl má pouze relativní rotace. Například, Bishop Berkeley a Ernst Mach (mimo jiné) navrhl, že to je relativní otáčení vzhledem k pevné hvězdy , že otázky, a rotace pevných hvězd vzhledem k objektu, má stejný účinek jako otáčení objektu s ohledem na stálé hvězdy. Newtonovy argumenty tento problém neřeší; na jeho argumenty však lze pohlížet jako na ustavení odstředivé síly jako základu pro operativní definici toho, co vlastně myslíme absolutní rotací.
Rotující koule
Newton také navrhl další experiment pro měření rychlosti otáčení člověka: pomocí napětí v šňůře spojující dvě koule rotující kolem jejich těžiště. Nenulové napětí v řetězci označuje rotaci koulí bez ohledu na to, zda si je pozorovatel myslí, že se otáčejí. Tento experiment je v zásadě jednodušší než experiment s lopatou, protože nemusí zahrnovat gravitaci.
Kromě jednoduché odpovědi „ano nebo ne“ na rotaci může člověk skutečně vypočítat svoji rotaci. K tomu je třeba vzít naměřenou rychlost otáčení koulí a vypočítat napětí odpovídající této pozorované rychlosti. Toto vypočítané napětí se potom porovná s naměřeným napětím. Pokud se dva shodnou, jeden je ve stacionárním (nerotujícím) rámu. V případě, že dva to nebude souhlasit, získat souhlas, musí obsahovat odstředivou sílu pro výpočet tažné; například, pokud se koule zdají být stacionární, ale napětí je nenulové, celé napětí je způsobeno odstředivou silou. Z potřebné odstředivé síly lze určit rychlost otáčení člověka; například pokud je vypočtené napětí větší než měřené, rotuje se člověk v opačném smyslu než sféry a čím větší je rozpor, tím rychlejší je tato rotace.
Napětí drátu je potřebná dostředivá síla k udržení rotace. Fyzicky rotující pozorovatel zažívá dostředivou sílu a fyzický účinek vyplývající z jeho vlastní setrvačnosti. Účinek vznikající ze setrvačnosti se označuje jako reaktivní odstředivá síla .
Zda jsou účinky setrvačnosti přisuzovány fiktivní odstředivé síle či nikoli, je otázkou volby.
Rotující elastická koule
Podobným způsobem, kdybychom nevěděli, že se Země otáčí kolem své osy, mohli bychom tuto rotaci odvodit z odstředivé síly potřebné k zohlednění vydutí pozorovaného na jejím rovníku.
V jeho Principia , Newton navrhuje tvar rotačního Zemi byl, že homogenní elipsoidu tvořeného rovnováhy mezi gravitační síly držící pohromadě a odstředivou silou tahem od sebe. Tento efekt je snáze vidět u planety Saturn, která má poloměr 8,5 až 9,5krát větší než Země, ale má rotační periodu pouze 10,57 hodiny. Poměry průměrů Saturnu jsou přibližně 11 až 10.
Isaac Newton to vysvětlil ve své Principia Mathematica (1687), ve které nastínil svou teorii a výpočty tvaru Země. Newton správně předpokládal, že Země není přesně koule, ale že má zploštělý elipsoidní tvar, mírně zploštělý u pólů kvůli odstředivé síle jeho rotace. Jelikož je povrch Země na pólech blíže ke svému středu než na rovníku, je tam gravitace silnější. Pomocí geometrických výpočtů dal konkrétní argument, pokud jde o hypotetický elipsoidní tvar Země. Moderní měření oblatity Země vede k rovníkovému poloměru 6378,14 km a polárnímu poloměru 6356,77 km, což je o 0,1% méně zploštělé než Newtonův odhad. Teoretické stanovení přesného rozsahu oblateness v reakci na odstředivou sílu vyžaduje pochopení složení planety, nejen dnes, ale i během jejího formování.
V roce 1672 Jean Richer našel první důkaz, že gravitace nebyla nad Zemí konstantní (jak by to bylo, kdyby Země byla koule); vzal kyvadlové hodiny do Cayenne , Francouzská Guyana a zjistil, že ztratil 2 1 / 2 minut za den ve srovnání s jeho rychlosti v Paříži. To naznačovalo, že gravitační zrychlení bylo u Cayenne menší než v Paříži. Kyvadlové gravimetry se začaly odehrávat na cestách do vzdálených částí světa a pomalu se zjistilo, že gravitace se zvyšuje plynule se zvyšující se šířkou, přičemž gravitační zrychlení je o 0,5% větší na pólech než na rovníku.
Teprve v roce 1743 dokázal Alexis Clairaut v Théorie de la figure de la terre ukázat, že Newtonova teorie, že Země je elipsoidní, byla správná. Clairaut ukázal, jak jsou Newtonovy rovnice nesprávné, a neprokázal elipsovitý tvar Země. Opravil však problémy s teorií, které by ve skutečnosti dokázaly, že Newtonova teorie je správná. Clairaut věřil, že Newton měl důvody pro výběr tvaru, který udělal, ale nepodporoval to v Principia . Clairautův článek neposkytl platnou rovnici, která by podpořila také jeho argument. Ve vědecké komunitě to vyvolalo mnoho kontroverzí.
Speciální relativita
Francouzský fyzik Georges Sagnac v roce 1913 provedl experiment podobný experimentu Michelson – Morley , jehož cílem bylo pozorovat účinky rotace. Sagnac provedl tento experiment, aby prokázal existenci světelného éteru, který Einsteinova teorie speciální relativity z roku 1905 zavrhla.
Sagnac experiment a později podobné experimenty ukázaly, že stacionární objekt na povrchu Země se při použití hvězd jako stacionární referenční bod otáčení jednou za rotací Země. Rotace byla tedy uzavřena spíše jako absolutní než relativní.
Obecná relativita
Machovým principem je jméno, které dal Einstein hypotéze, která se často připisuje fyzikovi a filozofovi Ernstovi Machovi .
Myšlenka je, že lokální pohyb rotujícího referenčního rámce je určen rozsáhlou distribucí hmoty ve vesmíru. Machův princip říká, že existuje fyzikální zákon, který spojuje pohyb vzdálených hvězd s místním setrvačným rámcem. Pokud vidíte, jak kolem vás víří všechny hvězdy, Mach naznačuje, že existuje nějaký fyzikální zákon, který by to udělal, takže byste cítili odstředivou sílu . Princip je často stanoven nejasně, například „ masa tam ovlivňuje setrvačnost zde“.
Einsteinovým příkladem byla rotující elastická koule. Stejně jako rotující planeta vyboulená na rovníku se rotující koule deformuje na zploštělý (zmáčknutý) sféroid v závislosti na jeho rotaci.
V klasické mechanice vyžaduje vysvětlení této deformace vnější příčiny v referenčním rámci, ve kterém se sféroid nerotuje, a tyto vnější příčiny lze v klasické fyzice a speciální relativitě považovat za „absolutní rotaci“. V obecné teorii relativity , žádné vnější příčiny jsou vyvolána. Rotace je relativní k místní geodetice a protože místní geodetika nakonec směruje informace ze vzdálených hvězd , zdá se, že existuje absolutní rotace vzhledem k těmto hvězdám.