القصور الذاتي: ما هو ولماذا هو مهم؟ (ث / أمثلة)

أي شخص قام بشكل غريزي بتثبيت يديه بشكل غريزي على لوحة عدادات السيارة تحسباً لتوقف السيارة بشكل مفاجئ ، يفهم مفهومالتعطيل، حتى لو لم تكرس أبدًا أي أفكار محددة لقوانين الفيزياء.

قد لا يخطر ببال هذا الراكب المنبه أن نفس المبدأ الجسدي يفسر سبب إمالة رأسها للوراء تجاه مسند رأس مقعدها كلما كان السائق على وشك القيام بذلك. الضغط على دواسة الوقود: إنها تعلم من التجربة أن السائق "صاحب القدمين" قادر على تعريضها لخطر الإصابة وإخضاعها لقوة موجهة إلى الخلف عندما تقلع السيارة.

خفض مقياس الاستعجال ، ومحاولة الحصول على آخر قطعة من تتبيلة السلطة أو الكاتشب من الزجاجة عن طريق هزها ، والبدء في الجري الأحداث الرياضية مثل الوثب الطويل والتأرجح المستمر للكرسي الهزاز بعد أن تتوقف عن محاولة هزّه كلها تمثل أمثلة علىقانون القصور الذاتي، قانون نيوتن الأول للحركة ، في الحياة اليومية.

على المستوى اليومي ، قد تسمع صديقًا يمزح أن "القصور الذاتي" منعه من النهوض من السرير والقيام بالجري لمسافة 5 أميال في ذلك الصباح. في حين أن مثل هذا الكسل المسامح ليس من الناحية الفنية مثالًا رسميًا على القصور الذاتي في عالم الفيزياء ، فإن هذا النوع من الثرثرة المرحة حول التشابه المفترض للمرء مع حيوان الكسلان هو مع ذلك توضيح لواحد من أهم المفاهيم في كل التطبيقات التطبيقية الفيزياء.

يصف مبدأ القصور الذاتيميل الجسم للبقاء في حالة راحة أو البقاء في حالة حركة بسرعة ثابتة.وبالتالي فهو مقياس لمقاومة الكائن لتغيير حالته ، سواء كان ذلك جسمًا متحركًا أو شيء جالسًا على طاولة. إذا كان الكائن يعاني من مزيد من القصور الذاتي ، فإنه يتطلب المزيد من العمل لتغيير حالته ، سواء كان ذلك في حالة راحة أو سرعة ثابتة. بالمقابل ، فإن الأجسام ذات القصور الذاتي الأقل تكون في حالات يسهل تغييرها.

أحد الأسباب التي قد تجعل جانب "السرعة الثابتة" غير بديهي هو وجود الاحتكاك. عندما تقوم بركل الكرة في الملعب ، فإنها ترتد وتتدحرج في النهاية إلى التوقف بسبب احتكاك العشب. ولكن إذا كان من الممكن جعل ميدان اللعب بلا احتكاك ، فإن الكرة ستستمر في السير إلى الأبد بسرعة ثابتة ما لم توقفها قوة خارجية. (وغني عن القول ، أن هذه الحالة من الأشياء ستؤثر أيضًا بالتأكيد على قواعد لعب ألعاب الكرة - وكل شيء آخر - على الأرض).

• في بعض الأحيان ، سترى قانون القصور الذاتي مذكورًا بمصطلح "سرعة ثابتة" بدلاً من "سرعة ثابتة". على الرغم من أن هذا صحيح ، إلا أنه ليس وصفيًا بدرجة كافية ؛ السرعة ليست سوى مقدار (قيمة عددية) ، في حين أن السرعة هي كمية متجهة وبالتالي تتضمن الاتجاه (x ، y ، z) أيضًا.

لا يزال إسحاق نيوتن (1642-1726) مالكًا لواحد من أكثر العقول شهرة في تاريخ البشرية ، حيث قام في الواقع بتجميع الانضباط الرياضي لحساب التفاضل والتكامل من الصفر والمساهمة في المعرفة حول حركة الأجسام التي ألهمت جاليليو جاليلي ، وهو مهندس عظيم لأفكار الفيزياء الفلكية في حد ذاته ، وعدد لا يحصى من الآخرين.

يُطلق على قانون نيوتن الأول أحيانًا قانون القصور الذاتي لأنه يصف هذا الميل لشيء ما على أنه يعتمد على وجود أو عدم وجود قوة خارجية. مع عدم وجود قوة صافية على الجسم ، لن تتغير حركته. على هذا النحو ، فإن هذا القانون ليس مساهمًا في معادلات الحركات التي طورها نيوتن أيضًا ، وربما يساعد في تفسير سبب عدم معرفة بعض الطلاب به.

​قانون نيوتن الثانييقترح أن القوى تعمل على تسريع الجماهير ، أو رياضيًا ،

يربط هذا القانون صافي القوة في نظام ، بما في ذلك الاتجاه ، بكتلة وحركة جسيماته. لحساب القوة الصافية ، يمكنك ببساطة أخذ مجموع متجه لجميع القوى المؤثرة على الجسم. أخيرًا ، يؤكد قانون نيوتن الثالث أنه لكل قوة توجد قوة مساوية لها ومعاكسة لها الطبيعة - "رد الفعل المتساوي والمضاد" يطبق أحيانًا على سبيل المزاح ولكن بشكل واضح في كل يوم لغة.

المشروع الأساسي لجميع الفيزياء هو فهم حركة الأشياء ، بما في ذلك العديد من الأشياء التي لا تستطيع العين البشرية رؤيتها والجسيمات التي قد يكون وجودها أكثر بقليل من فكرة مرحة. تشمل التطبيقات الواقعية لقانون القصور الذاتي تصميم أجهزة السلامة للمركبات ، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر المقاعد الأحزمة ، التي يمكن أن توفر قوة خارجية لإيقاف حركة الجسم في حالة حدوث تغيير مفاجئ في فيزياء فوري. بيئة.

كما أن لقصور الجسم استخدامات مثيرة للاهتمام في السفر إلى الفضاء. على سبيل المثال ، بمجرد أن يهرب الجهاز من جاذبية الأرض ، فإنه سيستمر في مساره المحدد حتى يواجه مجالًا أو جسمًا جاذبيًا آخر. يمكن إرسال مسابير الفضاء لمسافات كبيرة دون الحاجة إلى أي وقود إضافي بخلاف ذلك المطلوب "للهروب" من الأرض أو إحداث تغييرات ملاحية طفيفة أو الهبوط على جسم آخر.

كما ناقشنا سابقًا ، لا يبدو أن الأجسام التي تتحرك على الأرض "عازمة" على الاستمرار بسرعة ثابتة بسبب القوة الخارجية للاحتكاك. لأن الاحتكاك موجود في كل مكان تقريبًا (حتى الهواء يفرض قدرًا كبيرًا منه بسرعات أعلى) ويتباطأ باستمرار الأشياء أسفل ما لم يتم إضافة قوى إضافية باستمرار لمكافحتها ، فإن الاتساع المطلق لقانون القصور الذاتي ليس كذلك حدسي.

يُطلق عليه أحيانًا اسم القصور الذاتي الدورانيلحظة من الجمودهو التناظرية الزاوي من القصور الذاتي. إنها إحدى خصائص الجسم التي تعتمد على كتلة الجسم ونصف القطر ومحور الدوران. التعطيلأناهي الحركة الدورانية ما هي الكتلة للحركة الخطية ، ولكن على الرغم من أن القصور الذاتي والكتلة متماثلان ، فإن القصور الذاتي له وحدات كتلة مضروبة في مربع المسافة (على سبيل المثال ، كجم⋅م²).

تصف هذه الكمية مدى صعوبة أو سهولة تغيير دوران كائن ، بما في ذلك بدء تدويره أو إيقافه عندما يكون يدور بالفعل.

أيضًا ، في حين يتم التعبير عن الطاقة الحركية الخطية كـ

يتم إعطاء الطاقة الحركية الدورانية بواسطة

حيث تمثل ωالسرعة الزاويةبالراديان في الثانية.

من المهم أن ندرك أن مفهوم القصور الذاتي لن يكون له معنى دون اللجوء إلى الأطر المرجعية ، أوإطارات بالقصور الذاتي. الإطار بالقصور الذاتي هو الإطار الذي يمكن معاملته كإطار ثابت بحيث يمكن تعيين قيم ذات معنى للكائنات الأخرى في الإطارالخامس​, ​أ​, ​صوما إلى ذلك وهلم جرا. إنه إطار لذلك تنطبق قوانين نيوتن. عادةً ما يتم فرض نظام إحداثيات الشبكة على جزء من هذا الإطار ، والذي غالبًا ما يكون الأرض نفسها.

في حين أن الأرض ، لجميع الأغراض العملية ، "ثابتة" بالنسبة لمعظم المساعي البشرية اليومية ، يمكن أن تظهر التجارب الدقيقة أن البيانات المادية التي تم جمعها في مختبر في يختلف الموقع قليلاً بمرور الوقت بفضل دوران الأرض مع دورانها حول الشمس ، والحركة الانتقالية عبر مجرة ​​درب التبانة نفسها وهكذا على.

يبدو أن التجربة الشخصية تمثل أيضًا انتهاكات لقانون القصور الذاتي. في جميع الحالات تقريبًا ، ينشأ سوء الفهم هذا من معاملة الإطار المرجعي دون قصد على أنه قصور ذاتي عندما لا يكون كذلك. على سبيل المثال ، إذا كنت في جولة مرح متحركة ، خاصةً ذات سرعة زاوية عالية ، فستشعر كما لو كنت تتسارع بشكل جانبي في جميع الأوقات ، بدلاً من الشعور بأن جسمك "يريد" الاستمرار في التحرك في خط مستقيم مماس إلى حافة جولة مرح.