Trägheit: Was ist das und warum ist es wichtig? (mit Beispielen)

Jeder, der schon einmal instinktiv die Hände auf das Armaturenbrett eines Autos gestützt hat, um zu erwarten, dass das Fahrzeug plötzlich zum Stehen kommt, versteht das Konzept vonTrägheit, auch wenn sie den Gesetzen der Physik nie konkrete Gedanken gewidmet hat.

Diesem aufmerksamen Fahrgast mag nicht in den Sinn kommen, dass das gleiche physikalische Prinzip erklärt, warum er den Kopf bewusst nach hinten gegen die Kopfstütze des Sitzes neigt, wenn der Fahrer im Begriff ist, zu Gaspedal durchtreten: Sie weiß aus Erfahrung, dass ein "bleifüßiger" Fahrer sie beim Abheben des Autos einem Schleudertrauma aussetzt und sie einer nach hinten gerichteten Kraft aussetzt.

Auf der Dringlichkeitsskala nach unten gehen, versuchen, durch Schütteln das letzte bisschen Salatdressing oder Ketchup aus einer Flasche zu holen, um einen Anlauf zu machen sportliche Ereignisse wie der Weitsprung und das fortgesetzte Schwingen eines Schaukelstuhls, nachdem Sie aufgehört haben, alles zu schaukeln, sind Beispiele für dieTrägheitsgesetz, Newtons erstes Bewegungsgesetz, im Alltag.

Auf einer alltäglichen Ebene hörst du vielleicht einen Freund scherzen, dass "Trägheit" ihn oder sie davon abhielt, aus dem Bett aufzustehen und an diesem Morgen einen 5-Meilen-Lauf zu machen. Während eine solche verzeihliche Trägheit technisch gesehen kein formales Beispiel für Trägheit in der Welt der Physik ist, ist diese Art von unbeschwertem Geschwätz über die eigene vermeintliche Ähnlichkeit mit einem Faultier ist dennoch illustrativ für eines der wichtigsten Konzepte in allen angewandten Physik.

Das Trägheitsprinzip beschreibtdie Tendenz eines Objekts, in einem Ruhezustand zu bleiben oder mit konstanter Geschwindigkeit in Bewegung zu bleiben.Es ist somit ein Maß für den Widerstand eines Objekts, seinen Zustand zu ändern, sei es ein sich bewegender Körper oder etwas, das auf einem Tisch sitzt. Wenn ein Objekt mehr Trägheit hat, erfordert es mehr Arbeit, seinen Zustand zu ändern, sei es Ruhe oder eine konstante Geschwindigkeit. Dementsprechend befinden sich Objekte mit geringerer Trägheit in leichter zu ändernden Zuständen.

Ein Grund, warum der Aspekt der "konstanten Geschwindigkeit" möglicherweise nicht intuitiv ist, ist die Existenz von Reibung. Wenn Sie einen Ball über ein Feld kicken, prallt er ab und rollt schließlich aufgrund der Reibung des Rasens zum Stillstand. Wenn das Spielfeld jedoch reibungslos gestaltet werden könnte, würde der Ball ewig mit konstanter Geschwindigkeit weiterlaufen, es sei denn, er wird von einer äußeren Kraft gestoppt. (Dieser Zustand würde sich natürlich auch auf die Spielregeln des Ballspiels – und alles andere – auf der Erde auswirken.)

• Manchmal wird das Trägheitsgesetz mit dem Begriff "konstante Geschwindigkeit" anstelle von "konstanter Geschwindigkeit" erwähnt. Dies ist zwar wahr, aber nicht aussagekräftig genug; Geschwindigkeit ist nur eine Größe (Zahlenwert), während Geschwindigkeit eine Vektorgröße ist und daher auch die Richtung (x, y, z) umfasst.

Isaac Newton (1642-1726) besitzt nach wie vor einen der bemerkenswertesten Intellekte der Menschheitsgeschichte, da er praktisch die mathematische Disziplin der Infinitesimalrechnung aufgebaut hat von Grund auf neu entwickelt und Wissen über die Bewegung von Körpern beigesteuert, das Galileo Galilei, selbst ein großer Architekt von astrophysikalischen Ideen, und unzählige. inspirierte Andere.

Newtons erstes Gesetz wird manchmal als Trägheitsgesetz bezeichnet, weil es diese Tendenz eines Objekts als abhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit einer äußeren Kraft beschreibt. Ohne Nettokraft auf ein Objekt ändert sich seine Bewegung nicht. Als solches trägt dieses Gesetz nicht zu den Bewegungsgleichungen bei, die auch von Newton entwickelt wurden, was vielleicht dazu beiträgt, zu erklären, warum einige Studenten damit nicht vertraut sind.

​Newtons zweites Gesetzschlägt vor, dass Kräfte wirken, um Massen zu beschleunigen, oder mathematisch

Dieses Gesetz setzt die Nettokraft in einem System, einschließlich der Richtung, mit der Masse und Bewegung seiner Teilchen in Beziehung. Um die Nettokraft zu berechnen, nehmen Sie einfach die Vektorsumme aller auf das Objekt wirkenden Kräfte. Schließlich behauptet das dritte Newtonsche Gesetz, dass es für jede Kraft eine gleiche und entgegengesetzte Kraft gibt in Natur – die "gleiche und gegensätzliche Reaktion" auch manchmal scherzhaft, aber vielsagend im Alltag angewendet Sprache.

Das grundlegende Projekt der gesamten Physik ist das Verständnis der Bewegung von Objekten, einschließlich vieler, die das menschliche Auge nicht sehen kann, und Teilchen, deren Existenz nur eine spielerische Idee sein mag. Zu den realen Anwendungen des Trägheitsgesetzes gehören die Konstruktion von Sicherheitsvorrichtungen für Fahrzeuge, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Sitz Gurte, die eine äußere Kraft bereitstellen können, um die Bewegung eines Körpers im Falle einer plötzlichen Änderung der Physik des Unmittelbaren zu stoppen Umgebung.

Die Trägheit eines Objekts hat auch in der Raumfahrt interessante Anwendungen. Sobald ein Gerät beispielsweise der Schwerkraft der Erde entkommt, wird es seine vorgegebene Flugbahn fortsetzen, bis es auf ein anderes Gravitationsfeld oder Objekt trifft. Raumsonden können über große Entfernungen geschickt werden, ohne dass zusätzlicher Treibstoff benötigt wird, außer dem, der benötigt wird, um der Erde zu "entkommen", kleinere Navigationsänderungen vorzunehmen oder auf einem anderen Objekt zu landen.

Wie bereits erwähnt, scheinen auf der Erde in Bewegung gesetzte Objekte aufgrund der äußeren Reibungskraft nicht sofort "absichtlich" mit konstanter Geschwindigkeit fortzufahren. Denn Reibung ist praktisch überall (selbst Luft verursacht bei höheren Geschwindigkeiten viel davon) und verlangsamt sich ständig Objekte nach unten, es sei denn, zusätzliche Kräfte werden ständig hinzugefügt, um sie zu bekämpfen, die schiere Breite des Trägheitsgesetzes ist nicht intuitiv.

Manchmal auch Rotationsträgheit genannt, dieTrägheitsmomentist das Winkelanalogon der Trägheit. Es ist eine Eigenschaft eines Körpers, die von der Masse, dem Radius und der Rotationsachse des Körpers abhängt. Trägheitichist für Rotationsbewegung, was Masse für Linearbewegung ist, aber obwohl Trägheit und Masse Analoga sind, hat Trägheit die Einheiten Masse mal dem Quadrat der Entfernung (z. B. kg⋅ich²).

Diese Größe beschreibt, wie schwer oder einfach es ist, die Drehung eines Objekts zu ändern, einschließlich des Startens der Drehung oder des Stoppens, wenn es bereits rotiert.

Auch während die lineare kinetische Energie ausgedrückt wird als

kinetische Rotationsenergie ist gegeben durch

wobei ω für. stehtWinkelgeschwindigkeitin Radiant pro Sekunde.

Es ist wichtig zu erkennen, dass das Konzept der Trägheit ohne Rückgriff auf Referenzsysteme keinen Sinn machen würde, oderInertialrahmen. Ein Inertialrahmen kann als stationär behandelt werden, sodass anderen Objekten im Rahmen sinnvolle Werte für in zugewiesen werden könnenv​, ​ein​, ​rund so weiter. Es ist ein Rahmen, in dem daher die Newtonschen Gesetze gelten. Ein Teil dieses Rahmens, der oft die Erde selbst ist, wird normalerweise mit einem Gitterkoordinatensystem überlagert.

Während die Erde für alle praktischen Zwecke in Bezug auf die meisten alltäglichen menschlichen Bemühungen "fixiert" ist, können sorgfältige Experimente zeigen, dass physikalische Daten, die in einem Labor in einem bestimmten Fall gesammelt werden, Der Standort ändert sich im Laufe der Zeit leicht aufgrund der Rotation der Erde zusammen mit ihrer Umdrehung um die Sonne, der Translationsbewegung durch die Milchstraße selbst und so auf.

Auch persönliche Erfahrungen scheinen Verstöße gegen das Trägheitsgesetz darzustellen. In fast allen Fällen entsteht dieses Missverständnis dadurch, dass ein Bezugssystem unwissentlich als Trägheit behandelt wird, wenn dies nicht der Fall ist. Befindet man sich beispielsweise auf einem fahrenden Karussell, insbesondere einem mit hoher Winkelgeschwindigkeit, fühlt man sich beschleunigt immer seitwärts, anstatt das Gefühl zu haben, Ihr Körper "wolle" sich in einer geraden Linie tangential zum Rand des Karussell.