Распределение веса тела в процессе движения тела

Простой динамометр имеет только одну плоскость свободы — вдоль оси растягивающейся или сжимающейся пружины. Сила веса поперек пружины не покажет наличие веса, лишь боковую деформацию самой пружины. Поэтому динамометр измеряет вес только в одной плоскости, только в двух направлениях, только в двух точках поверхности сферы. Следовательно нам необходим такой прибор, который будет определять вес тела в любом возможном направлении, а не только в направлении сжатия или растяжения пружины, прибор который измеряет вес в направлении каждой точки поверхности сферы, а не только в вертикальном направлении к центру Земли. 

В голове человека имеется «прибор» который называется вестибулярный аппарат. Это шарик который заполнен жидкостью, внутренняя поверхность которого имеет огромное количество рецепторов — микроскопических динамометров, которые реагируют на любое смещение жидкости внутри шарика при движении человека. Таким образом у человека формируется состояние равновесия в пространстве. Этот орган практически тот же самый динамометр, у которого миллионы плоскостей свободы, динамометр, который показывает наличие веса в любом направлении, во всех возможных радиусах сферы, а не только вдоль какой то одной. Если мы на поверхности Земли к нему прицепим груз весом 1 кг он покажет нам значение 1 килограмм силу. Представим что мы сделали такой динамометр и назовем его универсальным динамометром. 

На поверхности Земли мы нашим динамометром измерили вес стальной сферы и нашли ее вес равный 100 килограмм сил. Далее предположим, что сферу выбросили из зависшего вертолета на высоте 100 км. К телу прикреплен наш новый динамометр для регистрации веса в любом направлении и в момент выброса мы видим значение силы тяжести 100 кгс с вектором вниз. Первые 5 — 7 секунд полета сфера будет набирать скорость т.е. будет двигаться с ускорением. Плотность внешней среды воздуха будет играть роль «опоры», относительно которой будет перераспределение веса:

В сторону ускорения вес сферы будет уменьшаться, а в противоположную сторону от ускорения наоборот в той же мере увеличиваться. 

Сфера будет постоянно увеличивать скорость, а внешняя среда будет сопротивляться движению сферы своей плотностью, создавая реакцию трения (нагрева). При достижении определенной скорости, которая зависит от плотности среды, плотности сферы и ее объема (формы), весь вес сферы распределится в сторону противоположную ускорению, которое кратковременно сменится на постоянную скорость. Так как по мере падения сферы плотность внешней среды воздуха будет увеличиваться, процесс ускорения сменится на процесс медленного торможения, а вес сферы, следовательно, начнет распределяться в сторону самого торможения. Плотность воздуха по мере падения сферы будет увеличиваться, увеличивая и вес в сторону падения, а в момент возмездия сферы с терзающей спокойствие мира землей, оставшийся вес сферы мгновенно будет высвобожден абсолютной плотностью тверди самой Земли.

Вес сферы в процессе движения к Земле не изменился, вес распределился по сторонам. 

Установим наш универсальный динамометр на автомобиль.

Автомобиль начинает процесс увеличения скорости — ускорение. В процессе прямолинейного ускорения автомобиля, опорой для которого является внешняя среда воздуха, вес на нашем динамометре будет распределяться так:

в сторону ускорения и в сторону к центру Земли вес уменьшается

в противоположную сторону ускорения вес в той же мере увеличивается, а водитель ощутит эту силу как прижимание к спинке своего кресла

Вес в противоположную сторону ускорения будет увеличиваться до тех пор, пока ускорение автомобиля не достигнет значения ускорения свободного падения на Земле. В момент когда ускорение свободного падения (а) будет равно (g) вес к центру земли и в сторону ускорения станет равен нулю, а в сторону противоположную ускорению он станет равным весу самого автомобиля. 

Вес автомобиля в процессе ускорения не изменился, вес распределился по сторонам.

Если процесс ускорения сменяется торможением, сила, пройдя через ноль меняет направление и становится направленной в сторону самого торможения, что также фиксируется на нашем универсальном динамометре, а водитель ощущает эту силу как прижимание к рулю.

Центробежная сила

Если теперь ускоряющийся автомобиль начинает поворот на определенный угол, он начинает двигаться вдоль дуги окружности определенного радиуса. Вместе с поворотом автомобиля поворачивается и вектор силы: 

Сила поворачивается вдоль радиуса и она будет стремиться увеличить радиус. Теперь мы эту силу назовем центробежной. 

Волчок это простая юла которая при вращении получает способность удерживать направление своей оси вращения в пространстве, удерживаясь таким образом в вертикальном положении вращения. Само слово «гироскоп» происходит от древнегреческих слов: «γῦρος» (gyros) вращение по кругу, и «σκοπέω» (skopeo) — смотрю, наблюдаю.)

Вращение резиновой сферы с водой очень удачный, точный и безусловно научный пример для того, чтобы проследить все степени деформации сферы с возможностью регистрации всех изменений.

Если вращать резиновую сферу вокруг своей оси, сферу от центра центробежная сила растянет по периметру экватора и в той же мере вдоль оси вращения сожмет с полюсов к центру самой сферы.

По периметру экватора перпендикулярно оси вращения центробежная сила будет максимальной и по мере увеличения частоты вращения стремится к бесконечности.

Вдоль оси вращения к центру сферы от каждого полюса сила (ускорение) наоборот будет минимальной и по мере увеличения частоты вращения стремится к нулю.   

Иными словами весь вес сферы будет стремиться сконцентрироваться по периметру экватора, а по оси вращения вес сферы будет стремиться к нулю.

По мере увеличения частоты вращения сферы с водой, ее будет все больше и больше растягивать по экватору, но в той же мере сжимать с полюсов. По итогу мы будем наблюдать силовой диск, геометрия которого сформирована тремя силами:

Две с полюсов в центр сферы

Центробежная сила действующая вдоль всех радиусов по всему периметру экватора сферы

Силы которые деформировали сферу не фиктивные силы, но силы которые мы можем зарегистрировать на динамометре с более предпочтительной для нас шкалой в кг/силах.

Если теперь эти силы спроецировать на гироскоп из стали, распределение сил будет таким же:

Две силы с полюсов в центр гироскопа, а третья центробежная действующая по периметру экватора

Весь вес гироскопа будет стремиться сконцентрироваться по периметру экватора, а по оси вращения вес гироскопа будет стремиться к нулю и при определенной частоте вращения будет сформирован «силовой диск» и вес вдоль оси вращения будет равен нулю.

Вес гироскопа не изменился, изменилось распределение его веса по сторонам.

Так как весь вес гироскопа сконцентрирован по периметру экватора, то и «землей» гироскопа, которая его притягивает, становится периметр самого экватора. Как кирпич лежащий на столе притягивается к земле, так и гироскоп «притягивается» к периметру своего экватора. Поэтому любая попытка изменить направление к «земле гироскопа» заканчивается его способностью удерживать направление в пространстве. 

Теперь если мы вращающийся гироскоп расположим горизонтально и предоставим ему возможность вращаться в горизонтальной плоскости на поплавке с водой, мы получим прибор который называется гирокомпас имеющий две степени свободы. 

Находясь с таким прибором на экваторе, мы увидим, что ось его вращения будет удерживать заданное направление в мировом пространстве. Планета будет вращаться а ось вращения будет продолжать удерживать направление под вращающимся основанием. Так как ось вращения земли в течении года меняет угол к орбитальной плоскости на диапазон 23,5 градуса то и ось вращения гироскопа будет менять угол синхронно с этим процессом. Поэтому мы предоставим гироскопу третью ось вращения в вертикальной плоскости и получим настоящий свободный гироскоп с тремя степенями свободы:

Оси вращения такого гироскопа будут реагировать на все изменения земли в мировом пространстве: вращение вокруг своей оси, изменение угла оси вращения Земли к орбитальной плоскости и конечно на орбитальное движение. Оси вращения будут поворачиваться обеспечивая ему способность удерживать изначально заданное направление оси вращения в мировом пространстве.