Inertia: Mikä se on ja miksi se on tärkeää? (esimerkkeineen)

Jokainen, joka on koskaan vaistomaisesti tukenut kätensä auton kojelautaan odottaen ajoneuvon äkillistä pysähtymistä, ymmärtää käsitteeninertia, vaikka hän ei ole koskaan omistanut mitään erityisiä ajatuksia fysiikan laeille.

Tälle hälyttävälle matkustajalle ei ehkä tule mieleen, että sama fyysinen periaate selittää, miksi hän tietoisesti kallistaa päänsä takaisin istuimensa pääntujaa vasten aina, kun kuljettaja aikoo paina kaasupoljinta: Hän tietää kokemuksesta, että "lyijyjalkainen" kuljettaja pystyy vaarantamaan piiskan ja kohdistamaan taaksepäin suunnatun voiman, kun auto nousee.

Siirtyminen kiireellisyysastetta alaspäin, yrittämällä saada viimeinen pala salaattikastiketta tai ketsuppia pullosta ravistamalla sitä, käynnistämällä juoksu urheilutapahtumat, kuten kaukahyppy ja keinutuolin jatkuva heilahtelu sen jälkeen kun lopetat keinutuksen, ovat kaikki esimerkkejäinertian laki, Newtonin ensimmäinen liikelaki jokapäiväisessä elämässä.

Jokapäiväisellä tasolla saatat kuulla ystäväsi vitsi, jonka mukaan "hitaus" estää häntä nousemasta sängystä ja tekemästä viiden mailin juosta sinä aamuna. Vaikka tällainen anteeksiantamaton röyhkeys ei ole teknisesti muodollinen esimerkki inertiasta fysiikan maailmassa, tällainen kevytmielinen omasta oletetusta samankaltaisuudesta laiskuuteen on kuitenkin havainnollistava yksi tärkeimmistä käsitteistä kaikissa sovelluksissa fysiikka.

Hitausperiaate kuvaakohteen taipumus pysyä lepotilassa tai pysyä liikkeessä vakionopeudella.Se on siis mitta kohteen vastustuskyvystä tilan muuttamiseen, olipa se sitten liikkuva runko tai jotain pöydällä istuvaa. Jos esineellä on enemmän hitautta, se vaatii enemmän työtä tilan muuttamiseksi, olipa se lepotila tai vakionopeus. Vastaavasti objektit, joilla on vähemmän hitautta, ovat helpommin muutettavissa.

Yksi syy "vakionopeuden" näkökulmaan ei välttämättä ole intuitiivinen, on kitkan olemassaolo. Kun potkut palloa kenttää pitkin, se palautuu ja lopulta pysähtyy nurmikon kitkan takia. Mutta jos pelikenttä saatettaisiin kitkattomaksi, pallo jatkuisi ikuisesti vakionopeudella, ellei sitä pysäytä ulkopuolinen voima. (Sanomattakin on selvää, että tämä tilanne vaikuttaa varmasti myös pallopelien - ja kaiken muun - pelisääntöihin maapallolla.)

• Joskus näet hitauslain, joka mainitaan termillä "vakionopeus" "vakionopeuden" sijaan. Vaikka tämä on totta, se ei ole tarpeeksi kuvaava; nopeus on vain suuruusluku (numeroarvo), kun taas nopeus on vektorimäärä ja sisältää siten myös suunnan (x, y, z).

Isaac Newton (1642-1726) on edelleen ihmiskunnan historian merkittävimpien intellektien haltija, joka on itse asiassa koonnut matematiikan kurinalaisuuden tyhjästä ja antamalla tietoa kehojen liikkeestä, joka innoitti Galileo Galilein, oman astrofysiikan ideoidensa suuren arkkitehdin, ja lukemattomia toiset.

Newtonin ensimmäistä lakia kutsutaan joskus hitauslaiksi, koska se kuvaa kohteen taipumusta riippuvaiseksi ulkoisen voiman olemassaolosta tai puuttumisesta. Jos esineeseen ei kohdistu nettovoimaa, sen liike ei muutu. Sellaisena tämä laki ei edistä Newtonin kehittämiä liikeyhtälöitä, mikä ehkä auttaa selittämään, miksi jotkut opiskelijat eivät tunne sitä.

​Newtonin toinen lakiehdottaa, että voimat toimisivat massojen kiihdyttämiseksi tai matemaattisesti,

Tämä laki liittyy järjestelmän nettovoimaan, mukaan lukien suunta, sen hiukkasten massaan ja liikkeeseen. Nettovoiman laskemiseksi sinun on yksinkertaisesti otettava kaikkien esineeseen vaikuttavien voimien vektorisumma. Lopuksi Newtonin kolmas laki väittää, että jokaisessa voimassa on sama ja vastakkainen voima luonto - "tasa-arvoinen ja vastakkainen reaktio" soveltui joskus myös leikillisesti, mutta kerrottavasti jokapäiväisessä elämässä Kieli.

Koko fysiikan perushanke on esineiden liikkeen ymmärtäminen, mukaan lukien monet, joita ihmissilmä ei näe, ja hiukkaset, joiden olemassaolo voi olla vain leikkisä idea. Reaalimaailmassa sovellettavat hitauslainsäädännöt sisältävät ajoneuvojen turvalaitteiden suunnittelun, mukaan lukien mutta ei rajoittuen istuimiin vyöt, jotka voivat tarjota ulkoisen voiman pysäyttää kehon liike, jos välittömän fysiikan äkillinen muutos tapahtuu ympäristössä.

Esineen inertialla on mielenkiintoisia käyttötarkoituksia avaruusmatkoilla. Esimerkiksi, kun laite pääsee maapallon painovoimasta, se jatkaa tietyllä liikeradallaan, kunnes se kohtaa toisen painovoimakentän tai objektin. Avaruussondit voidaan lähettää pitkiä matkoja tarvitsematta muuta polttoainetta kuin mitä tarvitaan "paeta" maapallolta, tehdä pieniä navigointimuutoksia tai laskeutua toiseen esineeseen.

Kuten aiemmin keskusteltiin, maapallolla liikkeelle asetetut kohteet eivät heti näytä olevan "aikomuksia" jatkua vakionopeudella ulkoisen kitkavoiman takia. Koska kitka on käytännössä kaikkialla (jopa ilma aiheuttaa paljon sitä suuremmilla nopeuksilla) ja hidastuu jatkuvasti esineitä alas, ellei lisävoimia lisätä jatkuvasti sen torjumiseksi, hitauslain lakka ei ole intuitiivinen.

Joskus kutsutaan kiertohitaukseksi,hitausmomenttion inertian kulma-analogi. Se on kehon ominaisuus, joka riippuu kehon massasta, säteestä ja pyörimisakselista. InertiaMinäPyörimisliikkeelle tarkoitetaan mitä massa on lineaariselle liikkeelle, mutta vaikka inertia ja massa ovat analogeja, inertialla on massayksiköitä kertaa etäisyyden neliö (esim. kg⋅m²).

Tämä määrä kuvaa kuinka vaikeaa tai helppoa on muuttaa kohteen pyörimistä, mukaan lukien sen aloittaminen pyörimisen aloittamiseksi tai pysäyttäminen, kun se jo pyörii.

Vaikka lineaarinen kineettinen energia ilmaistaan

kiertokineettinen energia saadaan

missä ω edustaakulmanopeusradiaaneina sekunnissa.

On tärkeää tunnustaa, että inertian käsitteellä ei olisi mitään järkeä ilman turvautumista viitekehyksiin taiinertiaaliset kehykset. Inertiaalikehys on sellainen, jota voidaan pitää paikallaan, jotta muille kehyksen kohteille voidaan osoittaa merkitykselliset arvotv​, ​a​, ​rja niin edelleen. Se on kehys, johon Newtonin lait siis soveltuvat. Ruudukko-koordinaatistojärjestelmä on yleensä päällekkäin tämän kehyksen osassa, joka on usein Maa itse.

Vaikka maapallo on kaikissa käytännön tarkoituksissa "kiinteä" suhteessa useimpiin ihmisen jokapäiväisiin pyrkimyksiin, huolelliset kokeet voivat osoittaa, että tietyssä laboratoriossa kerätty fyysinen data sijainti vaihtelee hieman ajan myötä maapallon kiertämisen ja sen ympäri tapahtuvan vallankumouksen, translationaalisen liikkeen itse Linnunradan läpi ja niin edelleen päällä.

Henkilökohtainen kokemus näyttää myös rikkovan hitauslakia. Lähes kaikissa tapauksissa tämä väärinkäsitys johtuu siitä, että referenssikehystä pidetään tietämättään inertiaalisena, kun se ei ole. Esimerkiksi, jos olet liikkuvalla karusellilla, varsinkin jolla on suuri kulmanopeus, sinusta tuntuu kuin olisit kiihtynyt aina sivusuunnassa sen sijaan, että tuntuisit, että kehosi "haluaa" liikkua suorassa linjassa tangenttina karuselli.