Transzlációs tehetetlenségi erő

4544

A tehetetlenségi erők közül a transzlációs a legegyszerűbb. Ezt olyankor vesszük be a valódi erők közé a dinamika alapegyenletébe (hogy az újra igazzá váljon), amikor a gyorsuló rendszer origójának az inerciarendszerekből nézve haladó (transzlációs) gyorsulása van. (Egy inerciarendszerhez képest egyenletes mozgást végző másik rendszer szintén inerciarendszer.)

Legegyszerűbb példa erre, mikor egy álló helyzetből elinduló, vagy egy fékező járműhöz rögzítjük a vonatkoztatási rendszerünket. Képzeljünk el egy teherautót, melynek platója nagyon síkos, és rajta van egy szappan, ami lényegében súrlódásmentesen tud csúszni a vízszintes platón. A teherautó hirtelen elindul $a_0$ gyorsulással előrefelé. Kívülről figyelve az egészet azt látjuk, hogy a szappan egy helyben marad mindaddig, amíg a plató végén le nem esik (csak addig vzsgáljuk, amíg a szappan plató végéhez ér). A teherautó "kiment alóla". Mivel a szappanra - súrlódás hiányában - nem hat vízszintes erő, ezért a folyamat kívülről (az inerciarendszerből) nézve összhangban áll Newton II. törvényével. A teherautóhoz  rögzített vonatkoztatási rendszerből viszont azt látjuk, hogy a szappan gyorsuló mozgást végez, konkrétan $a_0$ nagyságú gyorsulással, és a gorsulásának iránya a teherautó hátulja felé mutat. Pedig a szaőőanra nem hat valódi erő, ami ezt okozná. Erre kell bevezetnünk a fiktív tehetetlenségi erőt, hogy a dinamika alapegyenlete teljesüljön. Mivel a szappan hátrafelé gyorsul, ezért a gyorsulása negatív irányú. Írjuk be ezt Newton II. törvényébe! Legyen a pozitív irányunk a teherautó eleje felé!

\[\mathit{\Sigma}F_{\mathrm{valódi}}+F_{\mathrm{teh.}}=m\cdot \left(-a_0\right)\]

Valódi erő nem hat a szappanra, így azt elhagyjuk:

\[F_{\mathrm{teh.}}=m\cdot \left(-a_0\right)\]

\[F_{\mathrm{teh.}}=-m\cdot a_0\]

Általában, ha az inerciarendszerekhez képest a gyorsuló rendszer origója \({\overrightarrow{a}}_0\) gyorsulással mozog, akkor a fellépő tehetetlenségi erő ezzel ellentéstes irányú, azaz:

\[{\overrightarrow{F}}_{\mathrm{tran.\ teh.}}=-m\cdot {\overrightarrow{a}}_0\]

Nézzünk egy konkrét példát! Az autó álló helyzetből induljon el:

Az autó gyorsulása, ami a sebességváltozás irányába esik, előrefelé mutat, a transzlációs tehetetlenségi erő pedig hátrafelé. Induláskor úgy érezzük, hogy "valami beleprésel" minket az ülésbe. Erre szoksá azt mondani, hogy "a centrifugális erő" nyom bele az ülésbe, de a centrifugális erő nem valódi erő, nem tudjuk megnevezni, hogy ki fejti ki. Az ülés elindul előrefelé, mi pedig a tehetetlenségünknél fogva maradnánk ott, ahol kezdetben voltunk. Az ülés "nyomul ránk", nem pedig minket présel valaki az ülésbe.

A csomagtartóban lévő csomagok pedig induláskor hátrafelé mozdulnak el. Megint csak azt mondhatjuk, hogy a csomag csak tehetetlenül nyugszik, és alóla megy ki az autó. Nincs senki, aki a csomagra hátrafelé ható erőt fejtene ki. De az autóhoz rögzített vonatkoztatási rendszerben írva le a jelenséget, azt mondjuk, hogy a transzlációs tehetetlenségi erő miatt látjuk, hogy a csomag hátrafelé gyorsul .

Nézzük másik esetként, amikor egy kezdetben haladó autó fékez:

A sebességváltozás ilyenkor hátrafelé mutat, így a transzlációs tehetetlenségi erő előrefelé irányul. Ennek következtében az utasok előre lendülnek. De nem tudunk rámutatni senkire, hogy az utasokra kifejtene egy előre irányuló erőt. Az utasok csak - a tehetetlenségüknél fogva - megtartják sebességüket, míg az alattuk lévő autó a fékezése miatt hozzájuk képest lemarad. A csomagok fékezéskor előrefelé csúsznak meg, hasonló okoból. A jelenséget az autóhoz rögzített, gyorsuló vonatkoztatási rendszerben leírva azt mondhatjuk, hogy a transzlációs tehetetlenségi erő miatt.

A rosszul rögzített rakomány erős fékezéskor "előre csúszik".

Egy jármű elindulásakor minden test, ami nincs rögzítve erősen a járműhöz, az a járműhöz rögzítatt rendszerben vizsgálva úgy viselkedik, mintha hátrafelé hatna rá a transzlációs tehetetlenségi erő. Például a metróban, villamoson lógó kapaszkodó fogantyúk induláskor hátralendülnek. Fékezéskor pedig, amikor a jármű gyorsulása hátrafelé irányuló, olyankor a fogantyúk előrefelé lendülnek, mivel a transzlációs tehetetlenségi erő ellentétes irányú a gyorsuló rendszer inerciarendszerhez képesti gyorsulásával.

A jelenséget úgy értelmezhetjük, hogy induláskor a metróban lévő levegőmolekulák esetén is számolnunk kell a hátrafelé mutató transzlációs tehetetlenségi erővel, meg a fogantyú esetében is. De mindenki nem tud "hátra csapódni" a metrószerelvény hátsó falához, ahogy az akváriumban lévő víz induláskor. Hiszen akkor a metrókocsi első részében "nem maradna semmi". Vagyis ha mindenki hátracsapódna, akkor az elülső részben vákuum alakulna ki. De az nem lehetséges (mármint tartósan nem, csak rövid átmeneti időre), mert amint elkezdenek az atomok, molekulák hátulrafelé nyomulni, attól hátul a nyomás megnő, és az ottani nagy nyomású anyag már "nem engedi oda" a többi, hátrafelé törekvő molekulát. Ha elöl vákuum lenne, akkor a hátsó nagy nyomású részről a nyomáskülönbség hatására hirtelen anyagáramlás indulna előrefelé.

De akkor ki fog végül mégis "hátra jutni" (ahová mindenki törekszik a transzlációs tehetetlenségi erő hatására), és ki az, akinek már "nem jut hely" hátul? Ezt az dönti el, hogy kire mekkora az erő, ami hat rá. Mivel a transzlációs tehetetlenségi erő

$$a_{\mathrm{tr.\ teh.}}=-m\cdot a_0$$

vagyis egyenesen arányos a test $m$ tömegével, ezért ha bizonyos térfogatnyit veszünk kisebb tömegsűrűségű illetve nagyobb tömegsűrűségű anyagokból, akkor a nagyobb sűrűségűre nagyobb transzlációs tehetetlenségi erő fog hatni, a kisebb sűráségűre pedig kisebb. Ezért a nagyobb sűrűségű anyagok fognak hátra jutni, a kisebb sűrűségűek pedig, ha viszonylag sok nagy sűrűségű test nyomul hátrafelé, akkor kénytelenek lesznek előrébb jönni. Például ha egy cérnán lóg egy (nehéz) fémtest, akkor a jármű elindulásakor rá sokkal nagyobb transzlációs tehetetlenségi erő fog hatni, mint egy vele azonos térfogatú levegőrészre, ezért ő hátra fog lendülni, kiszorítva, előrébb hajtva az addig ott lévő levegőt:

A levegőmolekulák mindegyike is szívesen hátramenne, de mindenkinek "nem jut hátul hely", csak az erősebbnek, úgyhogy az győz.

Érdekes jelenség, amikor egy elinduló autóban nem egy levegőnél nagyobb sűrűségű tárgy lóg lefelé, hanem egy levegőnél kisebb sűrűségű tárgy (például héliummal töltött lufi), ami persze már nem lefelé fog lógni, hanem felfelé törekszik, feszíti a saját kötelét. Ilyenkor is minden egyes atomot "hajt" hátrafelé a transzlációs tehetetlenségi erő. De most nem a megszokott felállás van, hogy a levegő a kisebb sűrűségű, így a nála nagyobb sűrűségű inga, fogantyú stb győz, hanem most a levegő a nagyobb sűrűségű a héliumos lufihoz képest. Ezért a levegő fog hátranyomulni, és a lufi előre. Az alábbi videóban egy autóban be van lógatva fentről egy fémtárgy:

Majd pedig alulról egy héliumos lufi:

Aki nem érti, annak elmagyarázza Hernádi Judit színművésznő:

Akinek pedig nem elég mindez egy lufival, annak itt van YouTube-videó nyolccal; egy hátrafelé elindulás és hirtelen megállás, amiben a fentről lelógó (levegővel töltött) lufik, mivel a levegőnél nagyobb sűrűségűek, ezért "fogantyúként" viselkednek, az alulról felfelé álló héliumos lufik viszont (mivel  a sűrűségük kisebb, mint a levegőé), pont ellenkezően: