Инерция: что это такое и почему это важно? (с примерами)

Любой, кто когда-либо инстинктивно упирался руками в приборную панель автомобиля в ожидании внезапной остановки, понимает концепциюинерция, даже если она никогда не занималась конкретными мыслями о законах физики.

Этому бдительному пассажиру может не прийти в голову, что тот же физический принцип объясняет, почему он сознательно наклоняет голову назад к подголовнику сиденья, когда водитель собирается сделать это. нажмите на педаль газа: она знает по опыту, что «ведущий ногу» водитель склонен подвергать ее риску хлыстовой травмы и подвергать ее силе, направленной назад, когда машина трогается с места.

Спускаемся вниз по шкале срочности, пытаемся вытащить из бутылки остатки заправки для салата или кетчупа, встряхивая ее, получая разбег спортивные соревнования, такие как прыжок в длину и продолжающееся колебание кресла-качалки после того, как вы прекратили попытки раскачивать его, - все это примерызакон инерции, Первый закон движения Ньютона в повседневной жизни.

На повседневном уровне вы можете услышать шутку друга о том, что «инерция» помешала ему или ей встать с постели и пробежать 5 миль в то утро. Хотя такая простительная праздность технически не является формальным примером инерции в мире физики, такая беззаботная болтовня о собственном предполагаемом сходстве с ленивцем, тем не менее, иллюстрирует одну из самых важных концепций во всех прикладных физика.

Принцип инерции описываеттенденция объекта оставаться в состоянии покоя или оставаться в движении с постоянной скоростью.Таким образом, это мера сопротивления объекта изменению своего состояния, будь то движущееся тело или что-то, стоящее на столе. Если у объекта больше инерции, ему требуется больше работы, чтобы изменить свое состояние, будь то покой или постоянная скорость. Соответственно, менее инерционные объекты находятся в легко изменяемых состояниях.

Одна из причин, по которой аспект «постоянной скорости» может не быть интуитивно понятным, - это наличие трения. Когда вы пинаете мяч по полю, он отскакивает и в конечном итоге катится до остановки из-за трения о газон. Но если бы на игровом поле не было трения, мяч продолжал бы лететь вечно с постоянной скоростью, если бы его не остановила внешняя сила. (Излишне говорить, что такое положение вещей также определенно повлияло бы на правила игры в мяч - и все остальное - на Земле.)

• Иногда вы увидите, что закон инерции упоминается с термином «постоянная скорость» вместо «постоянная скорость». Хотя это правда, это недостаточно для описания; скорость - это только величина (числовое значение), тогда как скорость - это векторная величина и, следовательно, также включает направление (x, y, z).

Исаак Ньютон (1642-1726) остается обладателем одного из самых выдающихся умов в истории человечества, фактически собравшего математическую дисциплину - исчисление. с нуля и предоставив знания о движении тел, которые вдохновили Галилео Галилея, великого архитектора идей астрофизики, и бесчисленное множество другие.

Первый закон Ньютона иногда называют законом инерции, потому что он описывает эту тенденцию объекта как зависящую от присутствия или отсутствия внешней силы. Без чистой силы на объект его движение не изменится. Таким образом, этот закон не вносит вклад в уравнения движения, также разработанные Ньютоном, что, возможно, помогает объяснить, почему некоторые студенты не знакомы с ним.

​Второй закон Ньютонапредполагает, что силы действуют для ускорения масс, или математически,

Этот закон связывает чистую силу в системе, включая направление, с массой и движением ее частиц. Чтобы рассчитать чистую силу, вы просто берете векторную сумму всех сил, действующих на объект. Наконец, третий закон Ньютона утверждает, что для каждой силы существует равная и противоположная сила в природа - «равная и противоположная реакция» тоже иногда шутливо, но красноречиво применяется в повседневной жизни. язык.

Основной проект всей физики - это понимание движения объектов, в том числе многих, которые человеческий глаз не может видеть, и частиц, существование которых может быть не более чем забавной идеей. Реальные применения закона инерции включают конструкцию устройств безопасности для транспортных средств, включая, помимо прочего, сиденье. ремни, которые могут обеспечить внешнюю силу, чтобы остановить движение тела в случае внезапного изменения физики непосредственного среда.

Инерция объекта также находит интересное применение в космических путешествиях. Например, как только устройство покидает гравитацию Земли, оно будет продолжать движение по заданной траектории, пока не встретит другое гравитационное поле или объект. Космические зонды могут быть отправлены на большие расстояния без какого-либо дополнительного топлива, необходимого, кроме необходимого для «ухода» с Земли, внесения незначительных навигационных изменений или приземления на другой объект.

Как обсуждалось ранее, объекты, приведенные в движение на Земле, не сразу кажутся «намеренными» продолжать движение с постоянной скоростью из-за внешней силы трения. Потому что трение присутствует практически повсюду (даже воздух накладывает его большую часть при более высоких скоростях) и постоянно замедляется. вниз, если для борьбы с ним постоянно не добавляются дополнительные силы, широта закона инерции не нарушается. интуитивно понятный.

Иногда это называется инерцией вращения.момент инерцииугловой аналог инерции. Это свойство тела, которое зависит от массы тела, радиуса и оси вращения. Инерцияядля вращательного движения то же самое, что масса для линейного движения, но хотя инерция и масса аналогичны, инерция имеет единицы массы, умноженные на квадрат расстояния (например, кг⋅м²).

Эта величина описывает, насколько сложно или легко изменить вращение объекта, включая начало его вращения или остановку, когда он уже вращается.

Кроме того, в то время как линейная кинетическая энергия выражается как

кинетическая энергия вращения определяется выражением

где ω представляетугловая скоростьв радианах в секунду.

Важно понимать, что концепция инерции не имела бы смысла без обращения к системам отсчета илиинерциальные системы отсчета. Инерциальный кадр - это кадр, который можно рассматривать как стационарный, чтобы другим объектам в кадре можно было присвоить значимые значения дляv​, ​а​, ​ри так далее. Следовательно, это рамка, в которой применяются законы Ньютона. Система координат сетки обычно накладывается на часть этого кадра, которой часто является сама Земля.

В то время как Земля для всех практических целей «фиксирована» по отношению к большинству повседневных человеческих усилий, тщательные эксперименты могут показать, что физические данные, собранные в лаборатории в данном местоположение немного отличается со временем из-за вращения Земли вместе с ее вращением вокруг Солнца, поступательного движения через саму Галактику Млечный Путь и т. д. на.

Личный опыт, кажется, также свидетельствует о нарушениях закона инерции. Почти во всех случаях это недоразумение возникает из-за того, что система отсчета рассматривается как инерциальная, хотя это не так. Например, если вы находитесь на движущейся карусели, особенно с большой угловой скоростью, вам кажется, что вас ускоряют. все время боком, вместо того, чтобы чувствовать, что ваше тело «хочет» продолжать движение по прямой линии, касающейся края карусель.