Αδράνεια: Τι είναι και γιατί είναι σημαντικό; (w / Παραδείγματα)

Όποιος έχει ενστικτωδώς χτυπήσει τα χέρια της στο ταμπλό ενός αυτοκινήτου εν αναμονή του ξαφνικού σταματήματος του οχήματος, κατανοεί την έννοια τουαδράνεια, ακόμη και αν δεν έχει αφιερώσει ποτέ συγκεκριμένες σκέψεις στους νόμους της φυσικής.

Μπορεί να μην συμβεί σε αυτόν τον επιφυλακτικό επιβάτη ότι η ίδια φυσική αρχή εξηγεί γιατί συνειδητά κλίνει το κεφάλι της πίσω στο στήριγμα κεφαλής της κάθε φορά που ο οδηγός πρόκειται να Πιέστε το πεντάλ γκαζιού: Ξέρει από την εμπειρία ότι ένας οδηγός "με τα πόδια" είναι ικανός να την θέσει σε κίνδυνο για μαστίγιο και να την υποβάλει σε δύναμη προς τα πίσω όταν το αυτοκίνητο απογειωθεί.

Πετώντας κάτω από την κλίμακα επείγοντος, προσπαθώντας να βγάλουμε το τελευταίο κομμάτι σαλάτας ή κέτσαπ από ένα μπουκάλι κουνώντας το, ξεκινώντας αθλητικά γεγονότα όπως το άλμα και η συνεχής ταλάντωση μιας κουνιστής καρέκλας αφού σταματήσετε να προσπαθείτε να τα κουνήσετε όλα αντιπροσωπεύουν παραδείγματανόμος της αδράνειας, Ο πρώτος νόμος κίνησης του Νεύτωνα, στην καθημερινή ζωή.

Σε καθημερινό επίπεδο, μπορεί να ακούτε ένα φίλο να αστειεύεται ότι η "αδράνεια" τον εμπόδισε να σηκωθεί από το κρεβάτι και να κάνει μια διαδρομή 5 μιλίων εκείνο το πρωί. Παρόλο που μια τέτοια συγχωρεστή αδράνεια δεν είναι τεχνικά ένα τυπικό παράδειγμα αδράνειας στον κόσμο της φυσικής, αυτό το είδος ελαφριάς συνομιλίας για την υποτιθέμενη ομοιότητα κάποιου με μια νωθρότητα είναι ωστόσο ενδεικτική μιας από τις πιο σημαντικές έννοιες σε όλες τις εφαρμοσμένες η φυσικη.

Η αρχή της αδράνειας περιγράφειτην τάση ενός αντικειμένου να παραμένει σε κατάσταση ηρεμίας ή να παραμένει σε κίνηση με σταθερή ταχύτητα.Είναι λοιπόν ένα μέτρο της αντίστασης ενός αντικειμένου στην αλλαγή της κατάστασής του, είτε πρόκειται για κινούμενο σώμα είτε για κάτι που κάθεται σε ένα τραπέζι. Εάν ένα αντικείμενο έχει περισσότερη αδράνεια, απαιτεί περισσότερη δουλειά για να αλλάξει την κατάστασή του, είτε πρόκειται για ανάπαυση ή σταθερή ταχύτητα. Αντίστοιχα, τα αντικείμενα με λιγότερη αδράνεια βρίσκονται σε ευκολότερες αλλαγές.

Ένας λόγος για τον οποίο η "σταθερή ταχύτητα" μπορεί να μην είναι διαισθητική είναι η ύπαρξη τριβής. Όταν κλωτσάτε μια μπάλα κάτω από ένα γήπεδο, αναπηδά και τελικά σταματάει λόγω της τριβής του χλοοτάπητα. Αλλά αν το γήπεδο θα μπορούσε να καταστεί χωρίς τριβή, η μπάλα θα συνεχίσει για πάντα με σταθερή ταχύτητα, εκτός εάν σταματήσει από μια εξωτερική δύναμη. (Περιττό να πούμε, αυτή η κατάσταση των πραγμάτων θα επηρέαζε επίσης σίγουρα τους κανόνες του παιχνιδιού με μπάλα - και οτιδήποτε άλλο - στη Γη.)

• Μερικές φορές, θα δείτε τον νόμο της αδράνειας να αναφέρεται με τον όρο "σταθερή ταχύτητα" αντί για "σταθερή ταχύτητα". Αν και είναι αλήθεια, αυτό δεν είναι αρκετά περιγραφικό. Η ταχύτητα είναι μόνο ένα μέγεθος (τιμή αριθμού), ενώ η ταχύτητα είναι μια ποσότητα φορέα και συνεπώς περιλαμβάνει κατεύθυνση (x, y, z) επίσης.

Ο Isaac Newton (1642-1726) παραμένει ο κάτοχος μιας από τις πιο αξιοσημείωτες νοημοσύνη στην ανθρώπινη ιστορία, έχοντας ουσιαστικά συγκεντρώσει τη μαθηματική πειθαρχία του λογισμού από το μηδέν και συμβάλλοντας στη γνώση της κίνησης των σωμάτων που ενέπνευσαν τον Galileo Galilei, έναν μεγάλο αρχιτέκτονα αστροφυσικών ιδεών από μόνο του, και αμέτρητα οι υπολοιποι.

Ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα καλείται μερικές φορές ο νόμος της αδράνειας επειδή περιγράφει αυτήν την τάση ενός αντικειμένου ως εξαρτώμενη από την παρουσία ή την απουσία μιας εξωτερικής δύναμης. Χωρίς καθαρή δύναμη σε ένα αντικείμενο, η κίνησή του δεν θα αλλάξει. Ως εκ τούτου, αυτός ο νόμος δεν συμβάλλει στις εξισώσεις των κινήσεων που αναπτύχθηκαν επίσης από τον Newton, ίσως βοηθώντας να εξηγήσει γιατί ορισμένοι μαθητές δεν είναι εξοικειωμένοι με αυτόν.

​Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωναπροτείνει ότι οι δυνάμεις ενεργούν για να επιταχύνουν τις μάζες, ή μαθηματικά,

Αυτός ο νόμος συνδέει την καθαρή δύναμη σε ένα σύστημα, συμπεριλαμβανομένης της κατεύθυνσης, με τη μάζα και την κίνηση των σωματιδίων του. Για να υπολογίσετε την καθαρή δύναμη, παίρνετε απλά το διανυσματικό άθροισμα όλων των δυνάμεων που ενεργούν στο αντικείμενο. Τέλος, ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα ισχυρίζεται ότι για κάθε δύναμη υπάρχει μια ίση και αντίθετη δύναμη φύση - η «ίση και αντίθετη αντίδραση» επίσης μερικές φορές εφαρμόζεται αστεία αλλά ειλικρινά στην καθημερινή Γλώσσα.

Το βασικό έργο όλης της φυσικής είναι η κατανόηση της κίνησης των αντικειμένων, συμπεριλαμβανομένων πολλών που δεν μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι και σωματιδίων των οποίων η ύπαρξη μπορεί να είναι λίγο περισσότερο από μια παιχνιδιάρικη ιδέα. Οι πραγματικές εφαρμογές του νόμου της αδράνειας περιλαμβάνουν τη σχεδίαση συσκευών ασφαλείας για οχήματα, συμπεριλαμβανομένων ενδεικτικά του καθίσματος ζώνες, που μπορούν να παρέχουν μια εξωτερική δύναμη για να σταματήσει η κίνηση ενός σώματος σε περίπτωση ξαφνικής αλλαγής στη φυσική της άμεσης περιβάλλον.

Η αδράνεια ενός αντικειμένου έχει επίσης ενδιαφέρουσες χρήσεις στο διαστημικό ταξίδι. Για παράδειγμα, όταν μια συσκευή ξεφύγει από τη βαρύτητα της Γης, θα συνεχίσει στην δεδομένη τροχιά της έως ότου συναντήσει άλλο βαρυτικό πεδίο ή αντικείμενο. Οι διαστημικοί ανιχνευτές μπορούν να σταλούν σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς επιπλέον καύσιμο που απαιτείται εκτός από αυτό που απαιτείται για να "ξεφύγει" από τη Γη, να επιφέρει μικρές αλλαγές πλοήγησης ή να προσγειωθεί σε άλλο αντικείμενο.

Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, τα αντικείμενα που τέθηκαν σε κίνηση στη Γη δεν φαίνεται να "προτίθενται" να συνεχίσουν με σταθερή ταχύτητα λόγω της εξωτερικής δύναμης τριβής. Επειδή η τριβή είναι σχεδόν παντού (ακόμη και ο αέρας το επιβάλλει πολύ σε υψηλότερες ταχύτητες) και συνεχώς επιβραδύνεται αντικείμενα προς τα κάτω, εκτός εάν προστίθενται συνεχώς πρόσθετες δυνάμεις για την καταπολέμησή του, το τεράστιο εύρος του νόμου της αδράνειας δεν είναι ενστικτώδης.

Μερικές φορές ονομάζεται περιστροφική αδράνεια, τοστιγμή αδράνειαςείναι το γωνιακό ανάλογο της αδράνειας. Είναι μια ιδιότητα ενός σώματος που εξαρτάται από τη μάζα του σώματος, την ακτίνα και τον άξονα περιστροφής. ΑδράνειαΕγώείναι στην περιστροφική κίνηση τι είναι η μάζα στη γραμμική κίνηση, αλλά παρόλο που η αδράνεια και η μάζα είναι ανάλογα, η αδράνεια έχει μονάδες μάζας επί το τετράγωνο της απόστασης (π.χ., kg⋅Μ²).

Αυτή η ποσότητα περιγράφει πόσο δύσκολο ή εύκολο είναι να αλλάξετε την περιστροφή ενός αντικειμένου, συμπεριλαμβανομένης της έναρξης περιστροφής του ή της διακοπής του όταν περιστρέφεται ήδη.

Επίσης, ενώ η γραμμική κινητική ενέργεια εκφράζεται ως

Η περιστροφική κινητική ενέργεια δίνεται από

όπου το ω αντιπροσωπεύειγωνιακή ταχύτητασε ακτίνια ανά δευτερόλεπτο.

Είναι σημαντικό να αναγνωρίσουμε ότι η έννοια της αδράνειας δεν θα είχε νόημα χωρίς προσφυγή σε πλαίσια αναφοράς, ήαδρανειακά πλαίσια. Ένα αδρανειακό πλαίσιο είναι ένα που μπορεί να αντιμετωπιστεί ως στάσιμο έτσι ώστε σε άλλα αντικείμενα στο πλαίσιο να μπορούν να εκχωρηθούν σημαντικές τιμές γιαβ​, ​ένα​, ​ρκαι ούτω καθεξής. Είναι ένα πλαίσιο στο οποίο εφαρμόζονται οι νόμοι του Νεύτωνα. Ένα σύστημα συντεταγμένων πλέγματος συνήθως τοποθετείται σε μέρος αυτού του πλαισίου, το οποίο είναι συχνά η ίδια η Γη.

Ενώ η Γη, για όλους τους πρακτικούς σκοπούς, είναι «σταθερή» σε σχέση με τις περισσότερες καθημερινές ανθρώπινες προσπάθειες, προσεκτικά πειράματα μπορούν να δείξουν ότι τα φυσικά δεδομένα συλλέχθηκαν σε ένα εργαστήριο σε ένα δεδομένο Η τοποθεσία διαφέρει ελαφρώς με την πάροδο του χρόνου χάρη στην περιστροφή της Γης μαζί με την επανάστασή της γύρω από τον ήλιο, μεταγραφική κίνηση μέσω του ίδιου του Γαλαξία μας. επί.

Η προσωπική εμπειρία φαίνεται επίσης να παρουσιάζει παραβιάσεις του νόμου της αδράνειας. Σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις, αυτή η παρεξήγηση προκύπτει από την απρόβλεπτη μεταχείριση ενός πλαισίου αναφοράς ως αδρανειακού όταν δεν είναι. Για παράδειγμα, εάν βρίσκεστε σε κινούμενο εύθυμο γύρο, ειδικά με υψηλή γωνιακή ταχύτητα, αισθάνεστε σαν να επιταχύνετε στο πλάι ανά πάσα στιγμή, αντί να αισθάνεστε ότι το σώμα σας «θέλει» να συνεχίσει να κινείται σε ευθεία γραμμή εφαπτομένη στην άκρη του χαρούμενος-γύρος.