Setrvačnost: Co to je a proč je to důležité? (s příklady)

Každý, kdo někdy instinktivně připravil ruce na palubní desku automobilu v očekávání náhlého zastavení vozidla, rozumí konceptusetrvačnost, i když fyzickým zákonům nikdy nevěnovala žádné konkrétní myšlenky.

Tomuto varujícímu cestujícímu se nemusí stát, že stejný fyzický princip vysvětluje, proč vědomě naklání hlavu dozadu o opěrku hlavy svého sedadla, kdykoli se řidič chystá sešlápněte plynový pedál: Z vlastní zkušenosti ví, že řidič s „olověnými nohama“ je schopen ji vystavit riziku poranění krční páteře a při rozjezdu vozu ji vystavit působení síly směřující dozadu.

Pohybem dolů po stupnici naléhavosti, pokusem se dostat poslední kousek salátového dresinku nebo kečupu z láhve jejím protřepáním a spuštěním atletické události, jako je skok do dálky a pokračující oscilace houpacího křesla poté, co se jej přestanete snažit houpat, to vše představuje příkladyzákon setrvačnosti, Newtonův první zákon pohybu v každodenním životě.

Na každodenní úrovni můžete slyšet vtip kamaráda, že mu „setrvačnost“ zabránila vstát z postele a udělat si ráno 5 mil dlouhý běh. I když taková odpustitelná lhostejnost není technicky formálním příkladem setrvačnosti ve světě fyziky, tento druh veselého chvění o vlastní domnělé podobnosti s leností je nicméně ilustrací jednoho z nejdůležitějších konceptů ve všech aplikovaných fyzika.

Princip setrvačnosti popisujetendence předmětu zůstat v klidovém stavu nebo zůstat v pohybu při konstantní rychlosti.Jde tedy o míru odporu objektu proti změně jeho stavu, ať už jde o pohybující se tělo nebo něco, co sedí na stole. Pokud má objekt větší setrvačnost, vyžaduje více práce ke změně jeho stavu, ať už je to klid nebo konstantní rychlost. Odpovídajícím způsobem jsou objekty s menší setrvačností ve stavech, které lze snáze změnit.

Jedním z důvodů, proč aspekt „konstantní rychlosti“ nemusí být intuitivní, je existence tření. Když vykopnete míč z pole, odrazí se a nakonec se zastaví kvůli zastavení tření na trávníku. Pokud by však hrací pole mohlo být bez tření, míč by pokračoval navždy při konstantní rychlosti, pokud by nebyl zastaven vnější silou. (Není třeba říkat, že tento stav věcí by jistě ovlivnil pravidla hraní míčových her - a všeho jiného - na Zemi.)

• Někdy uvidíte zákon setrvačnosti zmiňovaný s termínem „konstantní rychlost“ místo „konstantní rychlost“. I když je to pravda, není to dostatečně popisné; rychlost je pouze velikost (číselná hodnota), zatímco rychlost je vektorová veličina, a proto zahrnuje také směr (x, y, z).

Isaac Newton (1642-1726) zůstává vlastníkem jednoho z nejpozoruhodnějších intelektů v dějinách lidstva, protože ve skutečnosti sestavil matematickou disciplínu počtu od nuly a přispívání znalostí o pohybu těl, které inspirovaly Galilea Galileiho, velkého architekta astrofyzikálních myšlenek v jeho vlastní pravý, a bezpočet ostatní.

Newtonův první zákon se někdy nazývá zákon setrvačnosti, protože popisuje tuto tendenci objektu jako závislou na přítomnosti nebo nepřítomnosti vnější síly. Bez čisté síly na objekt se jeho pohyb nezmění. Tento zákon jako takový nepřispívá k pohybovým rovnicím, které vyvinul také Newton, a možná pomáhá vysvětlit, proč s ním někteří studenti nejsou obeznámeni.

​Newtonův druhý zákonnavrhuje, aby síly působily k urychlení hmot, nebo matematicky,

Tento zákon se týká čisté síly v systému, včetně směru, s hmotou a pohybem jeho částic. Pro výpočet čisté síly jednoduše vezmete vektorový součet všech sil působících na objekt. A konečně, Newtonův třetí zákon tvrdí, že pro každou sílu existuje stejná a opačná síla příroda - „stejná a opačná reakce“ také někdy platila v žertu, ale výmluvně v každodenním životě Jazyk.

Základním projektem celé fyziky je porozumění pohybu objektů, včetně mnoha, které lidské oko nevidí, a částic, jejichž existence nemusí být jen hravým nápadem. Skutečné aplikace zákona setrvačnosti zahrnují návrh bezpečnostních zařízení pro vozidla, mimo jiné včetně sedadla pásy, které mohou poskytnout vnější sílu k zastavení pohybu těla v případě náhlé změny fyziky bezprostředního životní prostředí.

Setrvačnost objektu má také zajímavé využití v kosmickém cestování. Například jakmile zařízení unikne gravitaci Země, bude pokračovat v dané trajektorii, dokud nenarazí na jiné gravitační pole nebo objekt. Vesmírné sondy lze vysílat na velké vzdálenosti, aniž by bylo nutné další palivo kromě toho, které je zapotřebí k „útěku“ ze Země, provedení menších navigačních změn nebo přistání na jiném objektu.

Jak již bylo zmíněno dříve, objekty uváděné do pohybu na Zemi se nejeví jako „záměr“ pokračovat v konstantní rychlosti z důvodu vnější síly tření. Protože tření je prakticky všude (dokonce i vzduch jej ukládá při vyšších rychlostech) a neustále zpomaluje objekty dolů, pokud nejsou neustále přidávány další síly k boji proti ní, naprostá šíře zákona setrvačnosti není intuitivní.

Někdy se nazývá rotační setrvačnost,moment setrvačnostije úhlový analog setrvačnosti. Je to vlastnost těla, která závisí na hmotnosti, poloměru a ose rotace těla. SetrvačnostJáje to rotační pohyb, co je hmotnost pro lineární pohyb, ale i když setrvačnost a hmotnost jsou analogy, setrvačnost má jednotky hmotnosti krát druhou mocninu vzdálenosti (např. kg⋅m²).

Tato veličina popisuje, jak těžké nebo snadné je změnit rotaci objektu, včetně zahájení jeho otáčení nebo zastavení, když se již otáčí.

Rovněž zatímco lineární kinetická energie je vyjádřena jako

rotační kinetická energie je dána vztahem

kde ω představujeúhlová rychlostv radiánech za sekundu.

Je důležité si uvědomit, že koncept setrvačnosti by nedával smysl bez použití referenčních rámců, nebosetrvačné rámy. Inerciální rámec je ten, který lze považovat za stacionární, takže ostatním objektům v rámci lze přiřadit smysluplné hodnotyproti​, ​A​, ​ra tak dále. Jde o rámec, ve kterém platí Newtonovy zákony. Souřadnicový systém mřížky je obvykle položen na část tohoto rámu, což je často samotná Země.

Zatímco Země je z praktických důvodů „fixována“ ve vztahu k většině každodenních lidských snah, pečlivé experimenty mohou ukázat, že fyzická data shromážděná v laboratoři v daném umístění se časem mírně liší díky rotaci Země spolu s její rotací kolem Slunce, translačním pohybem skrz samotnou galaxii Mléčné dráhy atd. na.

Zdá se také, že osobní zkušenost představuje porušení zákona setrvačnosti. Téměř ve všech případech toto nedorozumění vychází z nevědomého zacházení s referenčním rámcem jako setrvačným, pokud tomu tak není. Například, když jedete na pohyblivém kolotoči, zvláště na vysoké úhlové rychlosti, máte pocit, jako byste byli zrychleni po celou dobu, spíše než mít pocit, že se vaše tělo „chce“ stále pohybovat po přímce tečné k okraji kolotoč.