在人类运输技术范畴中,速度从来都是追求的目标,航空航天领域所达到的程度堪称首屈一指。将加速度环境纳入产品试验规范,制定加速度试验标准,都是发生在这个领域是并不奇怪的。然而,土工离心模型试验属于另类,它反其道而行之,把原本静止的土工建筑物制成模型,刻意放在转动离心机上寻求过载,冀望以小度大探求大尺寸原型受力与变形情况。二者出发点不同,目的都在利用向心加速度,采用同一种方法——离心试验。除了离心机,当前通行的稳态加速度试验方法还有火箭橇(火箭车)。离心机是利用圆周运动产生加速度;火箭橇则为直线加速运动。一切技术活动均离不开相应的规范。技术标准既是工作的规范,也是阶段科技成果的总结。
试验标准虽然主要针对试验,但也映射出对试验设备的要求。离心机专业标准更是直接针对本身的具体规定,因此离心机设计者随时追踪并研究有关标准是必要的。科学技术是发展的,标准促进技术发展也受发展进程限制。既定标准大多是反映可实现和必须实现的内容,离心机设计者满足该类标准规定是首要宗旨和基本任务;同时,由于发展不平衡,往往会出现有些标准已经落伍而新标准尚未诞生的现象,因而鼓励离心机设计者不拘泥于现存标准,积极采用新技术推动离心机技术前进,反过来促进标准进步,也符合科技发展规律和相辅相成关系。稳态加速度环境模拟原理与试验方法,谈到模拟试验,人们凭直感就会发问:直线运动模拟直线运动,利用火箭橇模拟火箭,运动形式相近易于理解;用旋转运动模拟直线运动,用转动加速度模拟引力加速度,跨距甚大可比性如何?亦即,离心模拟的科学依据何在,尤其是转动加速度与引力加速度非出同源,尽管“加速度”三字相同,其力学环境相似吗?问题质朴看似简单,却往往在人们熟知的工程运用中蕴藏着未经意的深奥道理,疑问深度既与经典力学有关,也涉及爱因斯坦相对论,准确认识它们尚颇耐思索,深入探究下去则结论依然存疑。 惯性系与非惯性系谈到经典力学,首先须提及牛顿和他的三大定律。1687 年《自然哲学的数学原理》一书发表,牛顿三大定律奠定了物理学理论基础,迄今仍发挥着巨大作用,为便于讨论特简述如下:牛顿第一定律——动者恒动、静者恒静的惯性律;牛顿第二定律——物体加速度大小与所受合外力成正比,与自身质量成反比,与合外力同向;牛顿第三定律——物体间作用力与反作用力大小相等、方向相反、处在同一条直线上。现代物理学将牛顿第一定律(和第二定律)适用的范畴称为惯性系,那是理想的静止或匀速直线运动系统,牛顿定律和经典力学就是诞生并适合于这样的系统。伽利略力学相对性原理将力学关系推广到与之相互匀速直线运动的其他系统之上;爱因斯坦狭义相对论进一步发扬光大为一切物理规律,以之于所有惯性系都是相同和等价的新高度,从而构成其理论的第一假设——爱因斯坦相对性原理。惯性系之外,那些非静非直匀的加速运动系统和转动系统就是非惯性系了。离心机转子所固结的坐标系正是转动系,牛顿力学无法解释转动系内观察者看到的情景:比如物体经受向心力而静止不动,尽管从地球坐标系观察,正是由于向心力才促使其进行圆周运动,受力而无加速度,无论向心力多大、质量多小,依然如此,要不是第二定律失效就是向心力消失。牛顿力学与假设理想系统联系在一起,构成理想世界,真实世界并非完全静止也非只有匀速直线运动,大量非惯性系统存在着,经典力学能否应用于真实世界至关重要。
所述例子分析向心力消失说不过去,牛顿定律失效倒有可能,第三种情况就是转动系物体自身,产生一个与向心力大小相等、方向相反的“惯性离心力”,二力平衡使物体保持“静止状态”,如此解释令问题迎刃而解,同时也使经典力学重获新生,这就是惯性力诞生的起因。需要关照的是,再回到地球坐标系就应忘记那个“惯性离心力”,否则向心力还被抵消,何来圆周运动,而有违于“转动”的大前提。可见“惯性力”只是为了使非惯性系统等同于惯性系统设计出来的,使之可能同样应用伽利略相对性原理,让经典力学畅通无阻于两个世界而已。