Inertie: wat is het en waarom is het belangrijk? (met voorbeelden)

Iedereen die ooit instinctief haar handen op het dashboard van een auto heeft geschoord in afwachting van het voertuig dat plotseling tot stilstand komt, begrijpt het concept vantraagheid, zelfs als ze nooit specifieke gedachten heeft gewijd aan de wetten van de fysica.

Het komt misschien niet bij deze alerte passagier op dat hetzelfde fysieke principe verklaart waarom ze haar hoofd bewust achterover kantelt tegen de hoofdsteun van haar stoel wanneer de bestuurder op het punt staat te vertrekken. trap het gaspedaal in: ze weet uit ervaring dat een "loodvoetige" bestuurder geneigd is haar een whiplash te geven en haar te onderwerpen aan een naar achteren gerichte kracht wanneer de auto opstijgt.

Naar beneden gaan op de urgentieschaal, proberen het laatste beetje saladedressing of ketchup uit een fles te krijgen door hem te schudden, een vliegende start maken in atletische evenementen zoals het verspringen en het voortdurend heen en weer schommelen van een schommelstoel nadat je bent gestopt met proberen te schommelen, zijn allemaal voorbeelden van de

Op een alledaags niveau hoor je misschien een grap van een vriend dat "inertie" hem of haar ervan weerhield om uit bed te komen en die ochtend een 5-mijlsloop te doen. Hoewel een dergelijke vergeeflijke traagheid technisch gezien geen formeel voorbeeld is van traagheid in de wereld van de natuurkunde, is dit soort luchtig geklets over de eigen veronderstelde gelijkenis met een luiaard is niettemin illustratief voor een van de belangrijkste concepten in alle toegepaste fysica.

Het principe van inertie beschrijft:de neiging van een object om in een rusttoestand te blijven of met een constante snelheid in beweging te blijven.Het is dus een maat voor de weerstand van een object tegen het veranderen van zijn toestand, of het nu een bewegend lichaam is of iets dat op een tafel zit. Als een object meer traagheid heeft, vereist het meer werk om zijn toestand te veranderen, of het nu rust of een constante snelheid is. Dienovereenkomstig bevinden objecten met minder traagheid zich in gemakkelijker te veranderen toestanden.

Een van de redenen waarom het aspect "constante snelheid" niet intuïtief is, is het bestaan ​​van wrijving. Wanneer je een bal over een veld trapt, stuitert deze en rolt hij uiteindelijk tot stilstand vanwege de wrijving van de grasmat. Maar als het speelveld wrijvingsloos zou kunnen worden gemaakt, zou de bal voor altijd met een constante snelheid blijven gaan, tenzij hij wordt gestopt door een kracht van buitenaf. (Onnodig te zeggen dat deze stand van zaken ook zeker van invloed zou zijn op de spelregels van balspelen - en al het andere - op aarde.)

• Soms zie je de wet van traagheid vermeld met de term 'constante snelheid' in plaats van 'constante snelheid'. Hoewel waar, is dit niet beschrijvend genoeg; snelheid is slechts een grootte (getalwaarde), terwijl snelheid een vectorgrootheid is en daarom ook richting (x, y, z) omvat.

Isaac Newton (1642-1726) blijft de bezitter van een van de meest opmerkelijke intellectuelen in de menselijke geschiedenis, die in feite de wiskundige discipline van de calculus heeft verzameld vanaf het begin en het bijdragen van kennis over de beweging van lichamen die Galileo Galilei inspireerde, een groot architect van astrofysica-ideeën in zijn eigen recht, en talloze anderen.

De eerste wet van Newton wordt soms de wet van traagheid genoemd omdat deze de neiging van een object beschrijft als afhankelijk van de aanwezigheid of afwezigheid van een externe kracht. Zonder netto kracht op een object, zal zijn beweging niet veranderen. Als zodanig draagt ​​deze wet niet bij aan de bewegingsvergelijkingen die ook door Newton zijn ontwikkeld, wat misschien helpt verklaren waarom sommige studenten er niet bekend mee zijn.

​De tweede wet van Newtonstelt voor dat krachten werken om massa's te versnellen, of wiskundig,

Deze wet relateert de netto kracht in een systeem, inclusief de richting, aan de massa en beweging van zijn deeltjes. Om de nettokracht te berekenen, neem je eenvoudig de vectorsom van alle krachten die op het object werken. Ten slotte stelt de derde wet van Newton dat er voor elke kracht een gelijke en tegengestelde kracht bestaat natuur - de "gelijke en tegengestelde reactie" wordt soms ook schertsend maar veelzeggend toegepast in het dagelijks leven taal.

Het basisproject van de hele natuurkunde is het begrijpen van de beweging van objecten, waaronder veel die het menselijk oog niet kan zien en deeltjes waarvan het bestaan ​​misschien niet veel meer is dan een speels idee. Toepassingen in de echte wereld van de traagheidswet omvatten het ontwerp van veiligheidsvoorzieningen voor voertuigen, inclusief maar niet beperkt tot stoel gordels, die een externe kracht kunnen leveren om de beweging van een lichaam te stoppen in het geval van een plotselinge verandering in de fysica van de onmiddellijke milieu.

De traagheid van een object heeft ook interessante toepassingen in de ruimtevaart. Zodra een apparaat bijvoorbeeld aan de zwaartekracht van de aarde ontsnapt, zal het zijn gegeven baan voortzetten totdat het een ander zwaartekrachtveld of object tegenkomt. Ruimtesondes kunnen over grote afstanden worden gestuurd zonder dat er extra brandstof nodig is, behalve die nodig is om de aarde te "ontsnappen", kleine navigatiewijzigingen door te voeren of op een ander object te landen.

Zoals eerder besproken, lijken objecten die op aarde in beweging worden gebracht niet onmiddellijk "van plan" te zijn om met een constante snelheid door te gaan vanwege de externe wrijvingskracht. Omdat wrijving vrijwel overal is (zelfs lucht legt er een groot deel van op bij hogere snelheden) en voortdurend vertraagt objecten neer, tenzij er voortdurend extra krachten worden toegevoegd om het te bestrijden, is de enorme breedte van de traagheidswet dat niet intuïtief.

Soms ook wel rotatietraagheid genoemd, detraagheidsmomentis de hoekanaloog van traagheid. Het is een eigenschap van een lichaam die afhangt van de massa, straal en rotatieas van het lichaam. Traagheidikis voor rotatiebeweging wat massa is voor lineaire beweging, maar hoewel traagheid en massa analogen zijn, heeft traagheid eenheden van massa maal het kwadraat van de afstand (bijv. kg⋅m²).

Deze hoeveelheid beschrijft hoe moeilijk of gemakkelijk het is om de rotatie van een object te veranderen, inclusief het laten draaien of stoppen als het al draait.

Ook, terwijl lineaire kinetische energie wordt uitgedrukt als

rotatiekinetische energie wordt gegeven door

waar ω staat voorhoeksnelheidin radialen per seconde.

Het is belangrijk om te erkennen dat het concept van inertie geen zin zou hebben zonder gebruik te maken van referentiekaders, oftraagheidsframes. Een traagheidsframe is een frame dat als stationair kan worden behandeld, zodat andere objecten in het frame zinvolle waarden kunnen worden toegewezen voor:v​, ​een​, ​renzovoorts. Het is een kader waarin de wetten van Newton dus van toepassing zijn. Op een deel van dit frame, dat vaak de aarde zelf is, wordt meestal een rastercoördinatensysteem gesuperponeerd.

Terwijl de aarde, voor alle praktische doeleinden, "vast" is in relatie tot de meeste alledaagse menselijke inspanningen, kunnen zorgvuldige experimenten aantonen dat fysieke gegevens die in een laboratorium in een bepaald locatie verschilt enigszins in de tijd dankzij de rotatie van de aarde samen met haar omwenteling rond de zon, translatiebeweging door de Melkweg zelf en zo Aan.

Persoonlijke ervaring lijkt ook schendingen van de wet van traagheid te vertonen. In bijna alle gevallen komt dit misverstand voort uit het onbewust behandelen van een referentieframe als traagheid terwijl dit niet het geval is. Als u zich bijvoorbeeld in een bewegende draaimolen bevindt, vooral een met een hoge hoeksnelheid, heeft u het gevoel dat u wordt versneld altijd zijwaarts, in plaats van het gevoel te hebben dat uw lichaam "wil" blijven bewegen in een rechte lijn die raakt aan de rand van de draaimolen.