在人類運(yùn)輸技術(shù)范疇中,速度從來都是追求的目標(biāo),航空航天領(lǐng)域所達(dá)到的程度堪稱首屈一指。將加速度環(huán)境納入產(chǎn)品試驗(yàn)規(guī)范,制定加速度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),都是發(fā)生在這個(gè)領(lǐng)域是并不奇怪的。然而,土工離心模型試驗(yàn)屬于另類,它反其道而行之,把原本靜止的土工建筑物制成模型,刻意放在轉(zhuǎn)動(dòng)離心機(jī)上尋求過載,冀望以小度大探求大尺寸原型受力與變形情況。二者出發(fā)點(diǎn)不同,目的都在利用向心加速度,采用同一種方法——離心試驗(yàn)。除了離心機(jī),當(dāng)前通行的穩(wěn)態(tài)加速度試驗(yàn)方法還有火箭橇(火箭車)。離心機(jī)是利用圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生加速度;火箭橇則為直線加速運(yùn)動(dòng)。一切技術(shù)活動(dòng)均離不開相應(yīng)的規(guī)范。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)既是工作的規(guī)范,也是階段科技成果的總結(jié)。
試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)雖然主要針對試驗(yàn),但也映射出對試驗(yàn)設(shè)備的要求。離心機(jī)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更是直接針對本身的具體規(guī)定,因此離心機(jī)設(shè)計(jì)者隨時(shí)追蹤并研究有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是必要的。科學(xué)技術(shù)是發(fā)展的,標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)技術(shù)發(fā)展也受發(fā)展進(jìn)程限制。既定標(biāo)準(zhǔn)大多是反映可實(shí)現(xiàn)和必須實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容,離心機(jī)設(shè)計(jì)者滿足該類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是首要宗旨和基本任務(wù);同時(shí),由于發(fā)展不平衡,往往會(huì)出現(xiàn)有些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)落伍而新標(biāo)準(zhǔn)尚未誕生的現(xiàn)象,因而鼓勵(lì)離心機(jī)設(shè)計(jì)者不拘泥于現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn),積極采用新技術(shù)推動(dòng)離心機(jī)技術(shù)前進(jìn),反過來促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)步,也符合科技發(fā)展規(guī)律和相輔相成關(guān)系。穩(wěn)態(tài)加速度環(huán)境模擬原理與試驗(yàn)方法,談到模擬試驗(yàn),人們憑直感就會(huì)發(fā)問:直線運(yùn)動(dòng)模擬直線運(yùn)動(dòng),利用火箭橇模擬火箭,運(yùn)動(dòng)形式相近易于理解;用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模擬直線運(yùn)動(dòng),用轉(zhuǎn)動(dòng)加速度模擬引力加速度,跨距甚大可比性如何?亦即,離心模擬的科學(xué)依據(jù)何在,尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)加速度與引力加速度非出同源,盡管“加速度”三字相同,其力學(xué)環(huán)境相似嗎?問題質(zhì)樸看似簡單,卻往往在人們熟知的工程運(yùn)用中蘊(yùn)藏著未經(jīng)意的深?yuàn)W道理,疑問深度既與經(jīng)典力學(xué)有關(guān),也涉及愛因斯坦相對論,準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)它們尚頗耐思索,深入探究下去則結(jié)論依然存疑。 慣性系與非慣性系談到經(jīng)典力學(xué),首先須提及牛頓和他的三大定律。1687 年《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書發(fā)表,牛頓三大定律奠定了物理學(xué)理論基礎(chǔ),迄今仍發(fā)揮著巨大作用,為便于討論特簡述如下:牛頓第一定律——?jiǎng)诱吆銊?dòng)、靜者恒靜的慣性律;牛頓第二定律——物體加速度大小與所受合外力成正比,與自身質(zhì)量成反比,與合外力同向;牛頓第三定律——物體間作用力與反作用力大小相等、方向相反、處在同一條直線上。現(xiàn)代物理學(xué)將牛頓第一定律(和第二定律)適用的范疇稱為慣性系,那是理想的靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),牛頓定律和經(jīng)典力學(xué)就是誕生并適合于這樣的系統(tǒng)。伽利略力學(xué)相對性原理將力學(xué)關(guān)系推廣到與之相互勻速直線運(yùn)動(dòng)的其他系統(tǒng)之上;愛因斯坦狹義相對論進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大為一切物理規(guī)律,以之于所有慣性系都是相同和等價(jià)的新高度,從而構(gòu)成其理論的第一假設(shè)——愛因斯坦相對性原理。慣性系之外,那些非靜非直勻的加速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)就是非慣性系了。離心機(jī)轉(zhuǎn)子所固結(jié)的坐標(biāo)系正是轉(zhuǎn)動(dòng)系,牛頓力學(xué)無法解釋轉(zhuǎn)動(dòng)系內(nèi)觀察者看到的情景:比如物體經(jīng)受向心力而靜止不動(dòng),盡管從地球坐標(biāo)系觀察,正是由于向心力才促使其進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng),受力而無加速度,無論向心力多大、質(zhì)量多小,依然如此,要不是第二定律失效就是向心力消失。牛頓力學(xué)與假設(shè)理想系統(tǒng)聯(lián)系在一起,構(gòu)成理想世界,真實(shí)世界并非完全靜止也非只有勻速直線運(yùn)動(dòng),大量非慣性系統(tǒng)存在著,經(jīng)典力學(xué)能否應(yīng)用于真實(shí)世界至關(guān)重要。
所述例子分析向心力消失說不過去,牛頓定律失效倒有可能,第三種情況就是轉(zhuǎn)動(dòng)系物體自身,產(chǎn)生一個(gè)與向心力大小相等、方向相反的“慣性離心力”,二力平衡使物體保持“靜止?fàn)?/span>態(tài)”,如此解釋令問題迎刃而解,同時(shí)也使經(jīng)典力學(xué)重獲新生,這就是慣性力誕生的起因。需要關(guān)照的是,再回到地球坐標(biāo)系就應(yīng)忘記那個(gè)“慣性離心力”,否則向心力還被抵消,何來圓周運(yùn)動(dòng),而有違于“轉(zhuǎn)動(dòng)”的大前提??梢?/span>“慣性力”只是為了使非慣性系統(tǒng)等同于慣性系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來的,使之可能同樣應(yīng)用伽利略相對性原理,讓經(jīng)典力學(xué)暢通無阻于兩個(gè)世界而已。