thumb|Coriolis-voima on erimerkki näennäisvoimasta. Oikeanpuoleisen video on otettu pyörivällä kameralla, joten se esittää ei-inertiaalista vertailu­järjestelmää. Siksi näyttää siltä kuin kuulan vaikuttaisi jokin voima.

Näennäisvoimat eli hitausvoimat ovat voimia, jotka näyttää vaikuttavan kappaleeseen, kun sen liikettä tarkastellaan jonkin ei-inertiaalisen vertailu­järjestelmän suhteen. Toisin kuin todelliset voimat, jotka aiheutuvat kappaleiden välisistä fysikaalisista vuoro­vaikutuksista, näennäis­voimat eivät ole kappaleeseen vaikuttavia todellisia voimia vaan johtuvat havaitsijan vertailu­järjestelmän kiihtyvästä liikkeestä. Jos käytetty vertailu­järjestelmä itse on kiihtyvässä liikkeessä, ei Newtonin toinen laki sellaisenaan päde, mutta kappaleen liikettä tällaisen järjestelmän suhteen voidaan tarkastella ikään kuin se pätisi, ajattelemalla, että muiden, todellisten voimien lisäksi tällaisessa järjestelmässä olevaan kappaleeseen vaikuttavat järjestelmän liikkeestä aiheutuvat näennäis- eli hitausvoimat. Kun ne otetaan huomioon, kappaleen liikettä voidaan käsitellä kiihtyvässä liikkeessä olevassa vertailu­järjestelmässäkin niin, että Newtonin toinen laki pysyy voimassa.

Esimerkkejä näennäisvoimista ovat keskipakoisvoima, joka näyttää työntävän pyörivässä liikkeessä olevia kappaleita ulospäin pyörimisliikkeen keskuksesta, Coriolis-voima, joka vaikuttaa pyörivän vertailu­järjestelmän suhteen liikkuviin kappaleisiin, esimerkiksi tuuliin Maan ilmakehässä, sekä Eulerin voima, joka esiintyy, kun pyörivä systeemin kulmanopeus muuttuu eli sillä on kulmakiihtyvyyttä.

Vaikka hitausvoimat eivät ole todellisia siinä mielessä että ne aiheutuisivat fysikaalisista vuorovaikutuksista, ne ovat oleellisen tärkeitä tarkasteltaessa liikettä kiihtyvässä liikkeessä olevan vertailu­järjestelmän suhteen, erityisesti klassisessa mekaniikassa, meteorologiassa ja astro­fysiikassa. Niiden avulla voidaan ymmärtää esimerkiksi Coriolis-ilmiön vaikutus tuuliin ja meri­virtoihin sekä astronauttien näennäinen painottomuus heidän ollessaan vapaassa putoamis­liikkeessä olevassa avaruus­aluksessa. Niillä on tärkeä merkitys myös teknisissä sovelluksissa, erityisesti navigoinnissa ja koneistojen pyörivien osien suunnittelussa.

Yleisen suhteellisuus­teorian mukaan gravitaatio ilmenee, kun avaruus kaareutuu suurten massojen ympärillä. Tämän vuoksi sekin voidaan lukea näennäis­voimien joukkoon.

Esimerkkejä Eteenpäin kiihtyvässä liikkeessä olevassa kulkuneuvossa matkustajista tuntuu usein siltä kuin heihin vaikuttaisi taaksepäin, kohti istuimia vaikuttava voima. Pyörivässä systeemissä, esimerkiksi sentrifugissa tai karusellissa taas vaikuttaa siltä, kun siellä vaikuttaisi keskuksesta ulospäin suuntautuva voima.

Tällaiset näennäisvoimat aiheutuvat itse asiassa kappaleen hitaudesta, toisin sanoen sen pyrkimyksestä jatkaa liikettään suoraviivaisesti tasaisella nopeudella. Mutta vaikka kappaleen liike todellisuudessa olisi tasaista ja suoraviivaista, se ei näytä sellaiselta, jos sitä tarkastellaan kiihtyvässä liikkeessä olevasta vertailu­järjestelmästä käsin. Esimerkiksi jos autossa matkustajan ja istuimen selkänojan välissä on aukko, auton kiihdyttäessä matkustaja näyttää liikkuvan hieman taaksepäin kunnes osuu selkänojaan. Tämä lyhytaikainen liike näyttää johtuvan taaksepäin vaikuttavasta voimasta, joka kuitenkin on näennäisvoima. Se ilmenee vain, kun liikettä tarkastellaan auton suhteen, ei tarkasteltaessa sitä maan suhteen. Näennäisvoima ei aiheudu mistään kahden kappaleen välisestä vuorovaikutuksesta kuten esimerkiksi sähkö­magneettiset ja kosketusvoimat. Se on vain seuraus sen kappaleen, tässä tapauksessa auton, kiihtyvästä liikkeestä, johon ei-inertiaalinen vertailu­järjestelmä on sidottu. Tällaisessa vertailu­järjestelmässä näyttää siltä kuin kappale tai tässä tapauksessa matkustaja olisi kiihtyvässä liikkeessä jonkin voiman vaikutuksesta.

Newtonin toisen lain mukaan voima aiheuttaa kappaleelle kiihtyvyyden, joka on yhtä suuri kuin voima jaettuna kappaleen massalla. vertailu­järjestelmän liikkeestä aiheutuva hitausvoima aiheuttaa kaikille tässä järjestelmässä oleville kappaleille yhtä suuren kiihtyvyyden, joten se on suoraan verrannollinen kappaleen massaan.

Näennäis- eli hitausvoimia sanotaan myös d'Alembertin voimiksi. Ne liittyvät d'Alembertin periaatteeseen, joka on vaihto­ehtoinen tapa muotoilla Newtonin toinen laki. Laskutoimitusten helpottamiseksi se määrittelee kappaleeseen kohdistuvan hitausvoiman sen massan ja kiihtyvyyden tulon vastalukuna.

D'Alembertín voimaa ei tule sekoittaa kosketusvoimaan, joka aiheutuu kahden kappaleen välisestä fyysisestä vuorovaikutuksesta ja jota koskee Newtonin kolmas laki eli voiman ja vastavoiman laki. Edellä esitetyssä auton matkustajan tapauksessa kosketusvoima aiheutuu matkustajan ja istuimen selkänojan välisestä vuorovaikutuksesta ja vaikuttaa niin kauan kuin auton liike on kiihtyvää.

Neljällä yleisesti käytettyä tyyppiä olevissa vertailu­järjestelmissä esiintyvällä hitausvoimalla on erityinen nimi: suoraviivaisessa kiihtyvässä liikkeessä olevissa vertailu­järjestelmissä esiintyvä hitausvoima (suppeammassa merkityksessä d'Alembertín voimalla tarkoitetaan nimenomaan tällaista tapausta) pyörivässä vertailu­järjestelmässä esiintyvät keskipakoisvoima ja Coriolis-voima, sekä neljäs, Eulerin voima, joka edellisten lisäksi esiintyy pyörässä vertailu­järjestelmässä, mikäli sen kulmanopeus muuttuu.

Tausta Marie-Antoinette Tonnelat kuvaili näennäisvoimien merkitystä Newtonin mekaniikassa siten, että Newtonin mukaan kiihtyvyyden ilmeneminen oli osoitus absoluuttisen avaruuden olemassaolosta. Toisaalta oli aineen absoluuttinen liike, johon vaikuttavat todelliset voimat, toisaalta vertailu­järjestelmän absoluuttinen liike, joka ilmeni näennäisinä voimina, jollainen on esimerkiksi Coriolis-voima.

Klassisen mekaniikan ja myös erityisen suhteellisuusteorian mukaan hitausvoimia esiintyy kaikissa ei-inertiaalisissa vertailu­järjestelmissä. Inertiaaliset järjestelmät ovat muihin nähden tavallaan etuoikeuteussa asemassa, koska niissä ei esiinny fysikaalisia ilmiöitä, joiden syyt ovat järjestelmän ulkopuolella, kun taas ei-inertiaalisissa vertailu­järjestelmissä sellaisia on. Yleisessä suhteellisuusteoriassa fysiikka sen sijaan selitetään aika-avaruuden geodesian avulla.

Ei-inertiaalisen järjestelmän tunnistaminen

Suoraviivaisesti vakionopeudella liikkuvassa suljetussa laatikossa oleva havaitsija ei voi havaita laatikon liikettä. Jos laatikko sen sijaan on kiihtyvässä liikkeessä, siinä oleva havaitsija voi siellä esiintyvistä hitausvoimista päätellä olevansa ei-inertiaalisessa vertailu­järjestelmässä.

Koordinaatistossa, joka on suoraviivaisessa, tasaisesti kiihtyvässä liikeessä, jokaisen kappaleen liikeyhtälö, olipa se etevässä, kiero- tai pyörivässä liikkeessä, ovat muuten samanlaiset kuin inertiaalikoordinaatistossa, paitsi että ulkoisiin voimien lisäksi kappaleen liikkeisiin tällaisessa koordinaatistossa vaikuttaa näennäisvoima −ma, missä m on kappaleen massa ja a koordinaatiston kiihtyvyys.

Myös muunlaiset kiihtyvyydet saavat aikaan näennäisvoimia, kuten jäljempänä selitetään. Liikkeiden fysikaalinen kuvaus on yksinkertaisinta inertiaalisessa järjestelmässä, jossa näennäisvoimia ei esiinny. Täten inertiaaliset vertailu­järjestelmät voidaan erottaa muista. Kaikki inertiaalijärjestelmät liikkuvat toistensa suhteen tasaisella nopeudella, ja niissä kaikissa liikettä voidaan kuvata samalla tavalla. Newtonin mekaniikan mukaan yhdessä inertiaalijärjestelmässä mitatut suureet voidaan muuntaa toisen inertiaalijärjestelmän mukaisiksi Galilein muunnoksella. Erityisessä suhteellisuusteoriassa sen sijasta on käytettävä Lorentzin muunnosta. Molemmat muunnokset ovat kuitenkin käytännössä yhtäpitäviä silloin kun inertiaalijärjestelmien nopeus toistensa suhteen on paljon pienempi kuin valonnopeus.

Yksi esimerkki kokeesta, jolla vertailu­järjestelmä voidaan todeta ei-inertiaaliseksi, pyöriväksi, on Foucault’n heiluri. Pyörimisliikkeensä vuoksi Maa ei ole inertiaalinen vertailu­järjestelmä. Sen pyörimisestä aiheutuva Coriolis-voima saakin tämän heilurin heilumistason kiertymään.

Hitausvoimat maan pinnalla Maan pinta on pyörivä vertailu­järjestelmä. Ratkaistaessa klassisen mekaniikan probleemoja Maahan sidotussa vertailu­järjestelmässä tarkasti on otettava huomioon kolme hitausvoimaa: Coriolis-voima, keskipakoisvoima ja Eulerin voima. Eulerin voima voidaan useimmiten jättää huomioon ottamatta, koska Maan pyörimisliikkeen kulmanopeuden vaihtelut ovat yleensä merkityksettömän pieniä. Molemmat muutkin hitausvoimat ovat heikkoja verrattuina useimpiin arkielämästä tuttuihin voimiin, mutta sopivilla koejärjestelyillä ne voidaan havaita.

Keskipakoisvoima Maan pinnalla olevaan kappaleeseen vaikuttaa sen liiketilasta riippumatta Maan pyörimisestä aiheutuva keskipakoisvoima, jonka suuruus on

,

missä m on kappaleen massa, Maan pyörimisen kulmanopeus, kappaleen paikkavektori Maan keskipisteen suhteen, r Maan säde, paikkakunnan maantieteellinen leveysaste ja Maan keskipisteestä paikkakunnalle johtavan säteen suuntainen yksikkövektori. Tämän vuoksi kappaleen havaittu, efektiivinen putoamiskiihtyvyys ei ole aivan yhtä suuri kuin gravitaatiosta aiheutuva aito putoamiskiihtyvyys, vaan jonkin verran pienempi. Tämä keskipakoiskiihtyvyys on suurimmillaan päiväntasaajalla, mutta sielläkin vain 0,034 m/s2 eli noin 0,3 prosenttia putoamiskiihtyvyydestä (0,91 m/s2).

Myös luotilangan suunta määräytyy efektiivisen, ei aidon putoamiskiihtyvyyden mukaan. Sen suunta poikkeaa aidosta putoamisliikkeestä hieman päiväntasaajaa kohti. Poikkeaman suuruus on noin

Coriolis-voima Maan pyörimisestä aiheutuva Coriolis-voima pyrkii kääntämään pohjoisella pallonpuoliskolla olevien kappaleiden liikettä oikealle, eteläisellä pallonpuoliskolla vasemmalle. Sen suuruus ja suunta saadaan lausekkeesta

missä m on kappaleen massa, sen nopeus ja Maan pyörimisliikkeen kulmanopeus (käsitettynä vektoriksi, jonka suunta osoittaa Maan akselin suuntaisesti pohjoiseen).

Coriolis-voima pyrkii kääntämään pohjoisella pallon­puoliskolla kaikkia liikkeitä oikealle, eteläisellä pallon­puoliskolla taas vasemmalle. Se ei vaikuta Maan akselin suuntaisiin, siis esimerkiksi navoilla pystysuoriin tai päivän­tasaajalla vaaka­suoraan pohjois-etelä­suuntaisiin liikkeisiin.

Coriolis-voiman aiheuttama kiihtyvyys on siis verrannollinen kappaleen nopeuteen. Kaikilla Maan pinnalla saavutettavilla nopeuksilla se on kuitenkin paljon pienempi kuin putoamiskiihtyvyys, vielä nopeudella 1000 m/s vain noin 0,072 m/s2 Se vaikuttaakin yleensä havaittavasti vain hyvin laaja-alaisiin liikkeisiin, esimerkiksi avaruus­aluksiin ja pitkän kantaman tykkien ammuksiin sekä tuuliin ja merivirtoihin.

Coriolis-voima saa myös aikaan, että tarpeeksi korkealta putoava kappale osu maahan suoraan lähtökohtansa alle vaan hieman siitä itään. Ellei ilmanvastusta oteta huomioon, 50 metriä korkeasta tornista päiväntasaajalla pudotettu kappale osuu maahan 7,7 millimetriä idemmäksi kuin mihin se putoaisi ilman Coriolis-voimaa.

Päiväntasaajalla Coriolis-voima vaikuttaa itään liikkuviin kappaleisiin ylöspäin, länteen liikkuviin alaspäin. Tästä aiheutuu, että kun laiva liikkuu päivän­tasaajalla itään päin, siinä olevat kappaleet vaikuttavat olevan hieman kevyempiä kuin sen liikkuessa päin­vastaiseen suuntaan. Tämä ero on pieni, mutta se on voitu mitata, ja se tunnetaan nimellä Eötvösin ilmiö.

Maapallon pyörimisestä aiheutuva Coriolos-voima voidaan havaita myös Foucault’n heilurin avulla.

Esimerkkejä hitausvoimista kaarevissa liikkeissä frame|Inertiaalisessa vertailu­järjestelmässä (kuvan ylempi osa) musta pallo putoaa suoraviivaisesti. Pyörivässä vertailu­järjestelmässä (kuvan alempi osa) olevan havaitsijan (ruskea täplä) suhteen sen liike on tässä järjestelmässä ilmenevän keskipakois- ja Coriolis-voiman vaikutuksesta kuitenkin kaareva.