Zotrvačnosť: Čo to je a prečo je to dôležité? (s príkladmi)

Každý, kto niekedy inštinktívne podoprel ruky na palubnú dosku automobilu v očakávaní náhleho zastavenia vozidla, chápe konceptzotrvačnosť, aj keď nikdy nevenovala žiadne konkrétne myšlienky fyzikálnym zákonom.

Tomuto výstražnému cestujúcemu sa nemusí stať, že ten istý fyzikálny princíp vysvetlí, prečo vedome nakláňa hlavu dozadu o opierku hlavy svojho sedadla, kedykoľvek sa vodič chystá zošliapnite plynový pedál: Z vlastnej skúsenosti vie, že vodič s vodiacimi nohami je schopný ju vystaviť riziku bičovania a vystaviť ju pri rozjazde silou smerujúcou dozadu.

Posunutím sa nadol o stupnicu naliehavosti a pokusom o vytiahnutie poslednej časti šalátového dresingu alebo kečupu z fľaše pretrepaním a rozbehnutím atletické udalosti, ako je skok do diaľky a pokračujúca oscilácia hojdacieho kresla po tom, ako sa ho prestanete snažiť, to všetko predstavuje príkladyzákon zotrvačnosti, Prvý Newtonov pohybový zákon v každodennom živote.

Na každodennej úrovni môžete počuť, ako kamarát vtipkoval, že mu „zotrvačnosť“ zabránila vstať z postele a ráno absolvovať beh na 5 míľ. Aj keď takáto odpustivá ľahostajnosť nie je technicky formálnym príkladom zotrvačnosti vo svete fyziky, tento druh veselého klábosenia o vlastnej predpokladanej podobnosti s leňochom je však ilustráciou jedného z najdôležitejších konceptov vo všetkých aplikovaných fyzika.

Princíp zotrvačnosti popisujetendencia predmetu zostať v pokojovom stave alebo zostať v pohybe konštantnou rýchlosťou.Je to teda miera odolnosti objektu voči zmene jeho stavu, či už ide o pohybujúce sa telo alebo niečo, čo sedí na stole. Ak má objekt väčšiu zotrvačnosť, vyžaduje si viac práce na zmenu svojho stavu, či už je to pokoj, alebo konštantná rýchlosť. Zodpovedajúcim spôsobom sú objekty s menšou zotrvačnosťou v stavoch, ktoré sa dajú ľahšie meniť.

Jedným z dôvodov, prečo aspekt „konštantnej rýchlosti“ nemusí byť intuitívny, je existencia trenia. Keď kopnete loptu do poľa, odrazí sa a nakoniec sa zastaví kvôli treniu trávnika. Ak by však hracie pole mohlo byť bez trenia, lopta by išla navždy konštantnou rýchlosťou, pokiaľ by ju nezastavila vonkajšia sila. (Netreba dodávať, že tento stav vecí by určite ovplyvnil aj pravidlá hry loptových hier - a všetkého ostatného - na Zemi.)

• Niekedy uvidíte zákon zotrvačnosti spomínaný s výrazom „konštantná rýchlosť“ namiesto „konštantná rýchlosť“. Aj keď je to pravda, nie je to dostatočne popisné; rýchlosť je iba veľkosť (číselná hodnota), zatiaľ čo rýchlosť je vektorová veličina, a preto zahŕňa aj smer (x, y, z).

Isaac Newton (1642-1726) zostáva vlastníkom jedného z najpozoruhodnejších intelektov v dejinách ľudstva, pretože v skutočnosti zostavil matematickú disciplínu počtu od nuly a prispievajúce poznatky o pohybe tiel, ktoré inšpirovali Galileo Galileiho, veľkého architekta astrofyzikálnych myšlienok samého seba, a nespočetné množstvo iné.

Newtonov prvý zákon sa niekedy nazýva zákon zotrvačnosti, pretože popisuje túto tendenciu objektu ako závislú od prítomnosti alebo neprítomnosti vonkajšej sily. Ak na predmet nebude pôsobiť žiadna sila, jeho pohyb sa nezmení. Tento zákon ako taký neprispieva k pohybovým rovniciam, ktoré vytvoril aj Newton, a možno pomáha vysvetliť, prečo ho niektorí študenti nepoznajú.

​Newtonov druhý zákonnavrhuje, aby sily pôsobili na urýchlenie hmotností alebo matematicky,

Tento zákon sa týka čistej sily v systéme vrátane smeru s hmotnosťou a pohybom jeho častíc. Na výpočet čistej sily jednoducho vezmete vektorový súčet všetkých síl pôsobiacich na objekt. Napokon tretí Newtonov zákon tvrdí, že pre každú silu existuje rovnaká a opačná sila príroda - „rovnaká a opačná reakcia“ sa tiež niekedy uplatňovala vtipne, ale výrečne v každodennom živote Jazyk.

Základným projektom celej fyziky je pochopenie pohybu objektov vrátane mnohých, ktoré ľudské oko nevidí, a častíc, ktorých existencia môže byť iba hravou myšlienkou. Medzi reálne aplikácie zákona zotrvačnosti patrí návrh bezpečnostných zariadení pre vozidlá, okrem iného vrátane sedadla pásy, ktoré môžu poskytnúť vonkajšiu silu na zastavenie pohybu tela v prípade náhlej zmeny fyziky okamžitého prostredie.

Zotrvačnosť objektu má zaujímavé využitie aj pri cestovaní vesmírom. Napríklad keď zariadenie unikne pred gravitáciou Zeme, bude pokračovať v danej trajektórii, kým nenarazí na iné gravitačné pole alebo objekt. Vesmírne sondy môžu byť vysielané na veľké vzdialenosti bez toho, aby bolo potrebné ďalšie palivo okrem toho, ktoré je potrebné na „únik“ zo Zeme, vykonanie menších navigačných zmien alebo pristátie na inom objekte.

Ako už bolo uvedené skôr, objekty uvádzané do pohybu na Zemi sa nejavia ako okamžité „zámery“ na pokračovanie konštantnou rýchlosťou z dôvodu vonkajšej sily trenia. Pretože trenie je prakticky všade (dokonca aj vzduch ho vo veľkej miere ukladá pri vyšších rýchlostiach) a neustále sa spomaľuje namietať, pokiaľ nie sú neustále pridávané ďalšie sily na boj proti nej, samotná šírka zákona zotrvačnosti nie je intuitívne.

Niekedy sa nazýva rotačná zotrvačnosťmoment zotrvačnostije uhlový analóg zotrvačnosti. Je to vlastnosť tela, ktorá závisí od hmotnosti, polomeru a osi rotácie tela. ZotrvačnosťJaje rotačný pohyb, čo je hmotnosť pre lineárny pohyb, ale hoci zotrvačnosť a hmotnosť sú analógy, zotrvačnosť má jednotky hmotnosti krát druhá mocnina vzdialenosti (napr. kg⋅m²).

Táto veličina popisuje, aké ťažké alebo ľahké je zmeniť rotáciu objektu vrátane začatia jeho otáčania alebo zastavenia, keď sa už otáča.

Zatiaľ čo lineárna kinetická energia je vyjadrená ako

rotačná kinetická energia je daná

kde ω predstavujeuhlová rýchlosťv radiánoch za sekundu.

Je dôležité si uvedomiť, že koncept zotrvačnosti by nemal zmysel bez použitia referenčných rámcov, prípinerciálne rámy. Inerciálny rámec je taký, ktorý možno považovať za stacionárny, takže iným objektom v rámci je možné priradiť zmysluplné hodnotyv​, ​a​, ​ra tak ďalej. Je to rámec, v ktorom sa preto uplatňujú Newtonove zákony. Súradnicový systém mriežky je zvyčajne položený na časti tohto rámu, ktorou je často samotná Zem.

Zatiaľ čo je Zem pre všetky praktické účely „fixná“ vo vzťahu k väčšine každodenných ľudských snáh, starostlivé experimenty môžu ukázať, že fyzické údaje zhromaždené v laboratóriu v danom umiestnenie sa časom mierne líši vďaka rotácii Zeme spolu s jej rotáciou okolo Slnka, translačným pohybom cez samotnú galaxiu Mliečna dráha atď. na.

Zdá sa, že osobná skúsenosť predstavuje aj porušenie zákona zotrvačnosti. Takmer vo všetkých prípadoch toto nedorozumenie vyplýva z nevedomého zaobchádzania s referenčným rámcom ako inerciálnym, ak ním nie je. Napríklad, ak idete na pohyblivom kolotoči, hlavne na vysokej uhlovej rýchlosti, máte pocit, akoby ste sa zrýchľovali po celý čas, skôr než by ste mali pocit, že sa vaše telo „chce“ neustále pohybovať v priamke dotýkajúcej sa okraja kolotoč.