Інваріантна похідна за часом
Інваріантна похідна за часом - це похідна по часу інерціальної системи. У самій інерціальній системі інваріантна похідна по часу є просто звичайна похідна за часом: . В неінерційній системі інваріантна похідна за часом складається з суми звичайної похідної за часом
і додаткових доданків, пов'язаних зі швидкістю
руху неінерційній системи щодо інерціальній. Поле швидкостей може бути неоднорідним
і, в загальному випадку, залежати від часу
. Так, наприклад, в неінерційній системі пов'язаної з нерівномірно обертовим колесом, поле швидкостей неоднорідне в просторі і в часі. Оскільки поле швидкостей
є відносна швидкість руху координатних систем, які не є матеріальними об'єктами, то ця швидкість за величиною може перевищувати швидкість світла і навіть бути нескінченною. Ніякого протиріччя зі спеціальною теорією відносності (СТО) при цьому, звичайно ж, не виникає. Наприклад, поле швидкостей неінерційній системи, пов'язаної з обертовим колесом, на досить великій відстані від центру обертання за величиною перевищує швидкість світла і прямує до нескінченності при подальшому віддаленні від центру.
Позначимо через - Координати в інерціальній системі, і
- Координати в неінерційній. Тоді швидкість руху неінерційній системи щодо інерціальній є:
Інваріантна похідна за часом від скаляра в неінерційній системі є:
.
Інваріантна похідна за часом від тензорів має додаткові доданки, пов'язані з перетворенням їх компонент при переході з однієї системи координат в іншу . Так, наприклад, для векторів і ковекторов маємо:
;
.
Отже,
;
.
Аналогічно обчислюються інваріантні похідні за часом від тензорів вищих рангів.
Важливою властивістю інваріантної похідної за часом є те, що всі похідні по просторовим координатам в правих частинах наведених вище виразів можна замінити на коваріантного похідні, узгоджені з метрикою простору
. Тобто,
,
,
при цьому доданки зі зв'язності Крістоффеля взаємно скорочуються.
Розглянуті вище "добавки" до звичайних похідним за часом є Лі - варіаціями (або, інакше, похідними Лі) тензорних полів вздовж векторного поля , Які були вивчені видатним норвезьким математиком Софус Лі (1842-1899).
Всім відомі відцентрове і кориолисово прискорення, що з'являються в обертовій неінерційній системі, - суть додаткові доданки в інваріантної похідної за часом від вектора швидкості рухомої матеріальної точки.