Предположим теперь, что система А не вращается, а движется прямолинейно и равномерно, т.е. является инерциальной. Наблюдатель в системе А видит, что диск вращается относительно его системы отсчета с угловой скоростью w. Он также видит, что начало О системы отсчета В (только одна точка) покоится или движется относительно его прямолинейно и равномерно, хотя система отсчета В является ускоренной! Кроме того, наблюдатель А видит, что вращающийся диск подвержен действию сил инерции, которые действуют на каждый малый элемент диска. Если бы диск был абсолютно твердым телом (расстояние между точками такого тела не меняется, какие бы силы на него не действовали), то его форма осталась бы неизменной. Однако при вращении реального диска его форма меняется из-за действия сил инерции (см. рис. 12).
Рис. 12. На резиновом диске нанесена сетка: а) - диск не вращается; б) - диск вращается с некоторой угловой скоростью w. В результате вращения увеличивается (d < D) диаметр резинового диска и его внутренняя геометрия изменяется.
Поскольку силы инерции действуют на все точки вращающегося диска, то имеет смысл говорить о поле сил инерции. В свою очередь, силы инерции порождаются торсионным полем, которое возникает тогда, когда происходит вращение каких-либо объектов. Слово торсионное происходит от английского слова torsion, что означает кручение. Впервые в науке кручение было связано с вращением французским математиком Ж. Френе, который связал угловую скорость вращения w с кручением c по формуле:
w = cv ,
где v - линейная скорость. При вращении диска в каждой его точке образуется поле кручения c , которое вызывает поле сил инерции. Когда угловая скорость вращения диска w постоянна (w = const), кручение принимает вид:
c = 1/r ,
где r - расстояние от оси вращения до некоторой точки на диске. В результате из формулы Френе мы получаем известную в механике формулу вращательного движения:
c = v/r
На рис. 12 изображен вращающийся резиновый диск, который деформируется и изменяет свою внутреннюю геометрию из-за появления на вращающемся диске торсионного поля (поля кручения). Остается только установить геометрию пространства событий и соответствующие уравнения геодезических, которые описывают движение ускоренных локально инерциальных систем отсчета второго рода.
Проведенные исследования показали, что внутренняя геометрия диска с кручением c соответствует геометрии немецкого математика Р. Вайценбека. В отличии от геометрии Римана, геометрия Вайценбека обладает не только кривизной пространства но и его кручением.
Из формулы w = cv видно, что кручение обращается в нуль, когда равна нулю угловая скорость вращения w. Если использовать преобразования трансляционных координат х, у и z, то обратить угловую скорость вращения в ноль невозможно. Для этого необходимо использовать преобразования неголономных угловых координат ф1, ф2, ф3. С помощью этих преобразований можно перейти в систему отсчета, которая вращается в ту же сторону и с такой же угловой скоростью как и система В, и начало которой совпадает с началом системы В. В этой системе w=0 и, следовательно, угловая скорость оказывается величиной относительной. Заметим, что при этом координатное пространство событий должно быть по крайней мере шестимерным.
1.11. Относительность сил и полей инерции.
Со времен Ньютона физиков озадачивали самые загадочные силы природы - силы инерции, которые проявляют себя в ускоренных системах отсчета. Более чем триста лет назад И. Ньютон поставил перед учеными вопрос, почему поверхность воды в ведре искривляется, если, взявшись за ручку, начать вращать ведро над головой. Причиной этого искривления является центробежная сила инерции
Fi = - mrw2 ,
действующая на массу воды в ведре. В этой формуле m - масса воды, w - угловая скорость вращения ведра, r - радиус вращения. Эта же сила действует во вращающемся барабане стиральной машины на капельки воды в мокром белье, обеспечивая быстрое отжимание белья при вращении барабана.
Для объяснения природы сил инерции И. Ньютон вводит в механике некое ненаблюдаемое в опыте абсолютное пространство. По представлениям ученого именно при ускоренном движении относительно ненаблюдаемого абсолютного пространства возникают силы инерции. Фактически для объяснения сил инерции И. Ньютон впервые вводит понятие абсолютного вакуума, о котором мы говорили ранее. Физикам трудно было оперировать с объектом, который не наблюдается в эксперименте непосредственно. Кроме того, введение абсолютного пространства было эквивалентно утверждению, что в природе существует класс выделенных абсолютных систем отсчета, связанных с абсолютным пространством.