Дать школьное объяснение

Не могла объяснить сыну его вопрос: почему камень падает на Землю, а спутник нет. Обратилась к брату, доктору наук, окончившему МФТИ. Тот сказал: силу притяжения к Земле уравновешивает центробежная сила, если скорость спутника не менее первой космической скорости. Учительница сыну заявила: цетробежных сил не существует. Как по школьному объяснить.

Доктор наук мог бы сказать, что, во первых, одинаково падают и камень и спутник. С примерно одинаковым вертикальным ускорением. Но, вследствие большой горизонтальной скорости у спутника, траектория его полёта вытянутая, её кривизна оказывается примерно такой же, как у Земного шара. И столкновения не происходит.

Нарисуйте Землю как большой круг.
Нарисуйте на расстоянии 1 см над кругом точку и скажите, что это — камень.
Если его отпустить, он упадет на Землю, причем будет двигаться вдоль радиуса Земли.
Если бросить камень горизонтально, то чем больше начальная скорость, тем дальше он упадет.
Если бросить сильнее камень пролетит четверть длины окружности, еще сильнее 0,5 окружности и т.д и , наконец, возможна такая начальная скорость, при которой камень, непрерывно "падая", на поверхность Земли не попадет никогда.
Это объяснение для сына, который не начал изучать физику.

Когда начнется изучение физики, поймет, что при отсутствии действующих сил тело может двигаться равномерно и прямолинейно. Для измерения направления движения нужна сила. Для спутника такой силой является притяжение Земли. Эта сила для спутника будет центростремительной. Центростремительная сила, необходимая для получения круговой траектории зависит от скорости спутника и радиуса орбиты. Если сила больше, чем необходимая, спутник упадет, если меньше, то радиус орбиты будет увеличиваться

Во-во. Именно так я и рисовал сам себе эти кривые, примерно в классе пятом. В физике вообще рисунок — мощное подспорье.

Я могу, насчет пользы сил инерции и , в частности, центробежной силы.
Понимание силы инерции есть лакмусовая бумажка, по проверке мыслительных способностей индивидуума.
Но тут еще есть о чем поговорить.
Вот придет Аид(атеист) с дитенком на карусель.
Дитенок спросит, а какая сила раздвигает и поднимает качельки?
Ответит Папа — как какая, центробежная.
А почему дядя Алекспо(верующий) говорит, что центробежных сил не существует? И ты с ним согласен.
А потому, что он мой начальник.
Вырастешь поймешь.
Хорошо Папа, только сейчас ЦБС не отменяй, а то я в лужу упаду.

Введение сил инерции упрощает и делает более наглядным решение целого ряда вопросов и задач о движении тел в неинерциальных системах. Получим сейчас уточненные выражения веса тела и ускорения силы тяжести (см. § 12).
При вращательном движении возникает, как мы уже знаем, центробежная сила инерции. Так как центробежная сила инерции, действующая на каждую частицу тела, находящегося в спутнике (и самого спутника), равна по величине и противоположна по направлению силе тяготения, действующей на соответствующую частицу, то эти силы взаимно уравновешиваются. В результате тело не подвергается деформации и не оказывает давления на стенки спутника (и другие возможные опоры), т. е. оно оказывается невесомым.
Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Cила тяжести mg складывается из гравитационного притяжения планеты GMm/r2 и центробежной силы инерции mω2a.
Си́ла тя́жести — сила, действующая на любое физическое тело, находящееся вблизи поверхности Землиили другого астрономического тела.
По определению, сила тяжести на поверхности планеты складывается из гравитационного притяжения планеты и центробежной силы инерции, вызванной суточным вращением планеты[1][2].
1. ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2005. — Т. I. Механика. — С. 372. — 560 с. — ISBN 5-9221-0225-7.
2. ↑ Тарг С. М. Сила тяжести // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — С. 496. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
Зельдович Я. Б Высшая математика для начинающих физиков и техников:
Параграф 10. Обратимся теперь к проблемам движения тел(искусственных спутников Земли, космических кораблей) в космическом пространстве. Для того, чтобы запущенное с Земли тело стало спутником Земли нужно, чтобы центробежная сила этого тела уравновешивала силу притяжения Земли. Соответствующая скорость называется первой космической скоростью.
Именно так надо учить , по мнению Зельдовича, школьников.

Ну уж Сивухина с Зедьдовичем минусовать. Кем же Вы себя мните.

Дело в том, что при рассмотрении задачи о спутнике многие люди допускают ошибку, забывая конкретизировать, из какой системы отсчета они рассматривают эту задачу. И вариантов тут два.

1. Инерциальная система отсчета, связанная с центром (масс) Земли.
2. Неинерциальная вращающаяся система отсчета, связанная с центром Земли. Спутник в этой системе отсчета не вращается, вращается сама система отсчета. Такое рассмотрение отражает точку зрения наблюдателя, который сидит на спутнике, и уверен, что он висит на месте в невесомости, а вращается на самом деле под ним Земля.

В первом случае единственной силой, которая действует на спутник, является сила тяжести. Под ее действием спутник находится в состоянии бесконечного падения. Т.е. он все время падает, падает и падает, но поскольку вектор скорости перпендикулярен силе тяжести, падение происходит всегда на ту же величину, что и поворот радиус-вектора, соединяющего спутник и центр Земли.

Во втором случае, поскольку система отсчета неинерциальная, в ней появляется дополнительная эффективная сила инерции, которая уравновешивает силу тяжести.

Так что рассмотрение зависит от выбора системы отсчета.
У студентов первого курса аэрокосмических исследований вопроосов не вызывает

В моё время школьников , не знавших о существовании инерциальных и неинерциональных систем отсчета , просто не существовало.

А что говорить сыну и учительнице о существовании центробежных сил. Кога я училась в школе, не помню, что о них говорилось. А в институте точно были.

В каком классе?

В инерциальных СО не существует. В неинерциальных они появляются. Так что в чём предмет спора-то..
Для меня в этом плане нет лучшей книги, чем "Механика" ЛЛ. Там это не постулируется, но — подробно и логично разбирается. Правда, сложновато её предлагать школьнику — не вундеркинду. Учтём, что даже сегодня во взглядах на отношения ИСО-НСО у преподавателей единства нет. Я, например, рассказываю человеку, собирающемуся поступать, — как СЛЕДУЕТ отвечать на егэшные вопросы такого рода. А если он ещё и смышлёный, то добавляю: не спорь с НИМИ, но когда поступишь, можешь это забыть, а думать сам, с помощью разумных людей — уже из реальной науки.

Неразбериха в терминологии порождает путаницу в понятиях. Нужно отделить мухов от котлетов. Согласно 3-му закону Ньютона сила действия равна силе противодействия. При раскручивании тела, совершающего круговое движение по окружности с постоянной скоростью, на тело действует ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНАЯ СИЛА в направлении центра вращения. ЦЕНТОБЕЖНАЯ СИЛА — есть сила противодействия. Она численно равна центростремительной силе, противоположна по направлению и приложена не к телу, а к нити. Если в разрез нити установить пружинный динамометр, то он измерит эту силу. В инерциальных системах (где присутствует движение по инерции) и центростремительная и центробежная сила — есть ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАЛЬНОСТЬ, но никак не фикция. Уравновесить эти силы друг друга никак не могут, так как приложены к разным телам. При решении задач динамики часто переходят от подвижной системы к неподвижной (неинерциальной), введя понятие ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ ИНЕРЦИИ, действующей на ТЕЛО, а не на нить, как в инерциальной системе. В этом случае центробежная сила инерции — есть ФИКЦИЯ, не имеющая физической реальности вводимая для возможности перехода от инерциальной системы к неинерциальной. Нельзя путать центробежную силу в инерциальной системе и центробежную силу инерции в неинерциальной системе
При движении космического корабля вокруг Земли с 1-ой космической скоростью центростремительная сила — есть сила притяжения Земли, а центробежная — есть сила, действующая на Землю со стороны корабля. При переходе к неинерциальной системе отсчета, центробежная сила инерции — есть сила, действующая на корабль, а не на Землю, физически её не существует.
Если у преподавателей нет единства во взглядах насчет ИСО -НСО, то это проблема самих преподавателей, но не физики. Советю им знакомиться с принципом Д АЛАМБЕРА, если вместят.

ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ А. Эйнштейна
Все явления в гравитационном поле происходят точно так же как в соответствующем поле сил инерции, если совпадают напряжённости этих полей и одинаковы начальные условия для тел системы.
Принцип эквивалентности является основным принципом общей теории относительности или релятивистской теории гравитации. В соответствии с Принципом эквивалентности гравитационное поле можно рассматривать как неинерциальную систему отсчета. Например движение в равномерно ускоренной системе отсчета будет эквивалентно однородному постоянному гравитационному полю. Тела разной массы будут обладать одинаковым ускорением, равным по величине и противоположным по направлению движения системы отсчета. Так же как неравномерно ускоренная поступательно движущаяся система отсчета эквивалентна однородному постоянному гравитационному полю.

И Эйнштейн вам.... не мил. Это уж слишком. А может просто ничего не понимаете. Хоть один бы минусовальщик личико бы показал.

Да нечего здесь минусовать..это уже у людей нервное. Другое дело, я, например, не вижу, каким макаром связаны гравитация и пресловутые центробежные силы. У них же геометрия разная: сферическая и аксиальная. Выглядит по-моему риторикой. Впрочем, я ОТО не владею.

Лифт Эйнштейна]
Для иллюстрации этого принципа Эйнштейн предложил следующий мысленный эксперимент. Пусть тела находятся в лифте, который бесконечно удалён от гравитирующих тел и двигается с ускорением. Тогда на все тела, находящиеся в лифте, действует сила инерции , а тела под действием этих сил будут давить на опору или подвес. То есть тела будут обладать весом.
Если лифт не движется, а висит над какой-то гравитирующей массой в однородном поле, то все тела также будут обладать весом. Находясь в лифте, невозможно отличить эти две силы. Поэтому все механические явления будут в обоих лифтах происходить одинаково. Эйнштейн обобщил это положение на все физические явления.

Да, это хорошо известные вещи. Хотя для объяснения движения (нерелятивистского) спутника привлекать ОТО выглядит несколько избыточным. Разве что для расчётов скорости течения времени в ретрансляторах, где требуется сверхточная синхронизация.

Никто и не привлекал ОТО , а привлекали центробежные силы. ВЫ говорите , что спутник падает, это конечно же верно в своей системе координат. Ноя провел 4 года еще студентом Физтеха в ЦУПе, там никто не говорил, что спутник падает. Терминология была: спутник висит на своей орбите.

Если суточный, то он, зараза, должен бы, да не висит. А описывает такую вертикальную восьмёрку с центром в экваториальной плоскости. Полсуток под ней, полсуток — над. А я как раз рассчитывал параметры РЛС-сигнала, чтобы его, неуёмного, отслеживать.

Буковки --- скучно! Картинки --- тащат!

Училки в школе всегда говорят: цетробежных сил нет.В институте мне сказали, забудь как страшный сон все, что было в школе.
В интернете очень много тех , кто отрицает существование центробежных сил( хоть на карусели я их , а может еще чего, я явно чувстую.
А вот силы инерции есть или их тоже нет. В метро при трогании я чувствую меня назад кто-то клонит. Кто это?

7. Каковы размеры атомов? Сколько естественных сортов атомов насчитывается в природе
8. У какого вещества – льда или воды – сила притяжения между молекулами больше?
9. Приведите объяснение следующим явлениям:
- если таблетка не покрыта оболочкой, то ее очень трудно проглотить не запивая водой;
- если таблетка покрыта оболочкой или лекарство находится в капсуле, то ее можно проглотить, не запивая водой.