ความเฉื่อยคืออะไร?

คุณอาจคิดว่าความเฉื่อยเป็นพลังลึกลับที่ขัดขวางไม่ให้คุณทำสิ่งที่คุณต้องทำ เช่น การบ้าน แต่นั่นไม่ใช่สิ่งที่นักฟิสิกส์หมายถึงในคำนี้ ในทางฟิสิกส์ ความเฉื่อยเป็นแนวโน้มของวัตถุที่จะหยุดนิ่งหรืออยู่ในสถานะเคลื่อนที่สม่ำเสมอ แนวโน้มนี้ขึ้นอยู่กับมวล แต่ก็ไม่ใช่สิ่งเดียวกันทุกประการ คุณสามารถวัดความเฉื่อยของวัตถุได้โดยใช้แรงเพื่อเปลี่ยนการเคลื่อนที่ของวัตถุ ความเฉื่อยเป็นแนวโน้มของวัตถุที่จะต้านทานแรงกระทำ

เนื่องจากวันนี้ดูเหมือนเป็นเรื่องธรรมดา มันจึงยากที่จะชื่นชมว่ากฎการเคลื่อนที่สามข้อของนิวตันที่ปฏิวัติวงการมีต่อชุมชนวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นอย่างไร ก่อนนิวตันและกาลิเลโอ นักวิทยาศาสตร์มีความเชื่อเมื่อ 2,000 ปีก่อนว่าวัตถุมีแนวโน้มที่จะหยุดนิ่งตามธรรมชาติหากปล่อยทิ้งไว้ตามลำพัง กาลิเลโอพูดถึงความเชื่อนี้ด้วยการทดลองเกี่ยวกับระนาบเอียงที่เผชิญหน้ากัน เขาสรุปว่าลูกบอลที่ปั่นขึ้นและลงเครื่องบินเหล่านี้จะยังคงสูงขึ้นไปจนถึงระดับเดียวกันตลอดไปหากแรงเสียดทานไม่ใช่ปัจจัย นิวตันใช้ผลลัพธ์นี้เพื่อกำหนดกฎข้อที่หนึ่งซึ่งระบุว่า:

วัตถุทุกชิ้นยังคงอยู่ในสถานะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง เว้นแต่จะถูกกระทำโดยแรงภายนอก

นักฟิสิกส์ถือว่าข้อความนี้เป็นคำจำกัดความอย่างเป็นทางการของความเฉื่อย

ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน แรง (F) ที่จำเป็นในการเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่ของวัตถุเป็นผลคูณของมวลของวัตถุ (m) และความเร่งที่เกิดจากแรง (a):

F = หม่า

เพื่อให้เข้าใจว่ามวลสัมพันธ์กับความเฉื่อยอย่างไร ให้พิจารณาแรงคงที่ F_ค ทำหน้าที่สองร่างที่แตกต่างกัน ร่างแรกมีมวล m₁ และตัวที่สองมีมวล m₂.

เมื่อดำเนินการกับ m₁, F_ค ทำให้เกิดความเร่ง a₁:

(F_ค = ม₁₁)

เมื่อดำเนินการกับ m₂ทำให้เกิดความเร่ง a₂:

(F_ค = ม₂₂)

ตั้งแต่ F_ค เป็นค่าคงที่และไม่เปลี่ยนแปลง สิ่งต่อไปนี้เป็นจริง:

ม₁₁ = ม₂₂

และ

ม₁/m₂ =₂/a₁

ถ้า ม₁ ใหญ่กว่า m₂แล้วคุณจะรู้ว่า a₂ จะใหญ่กว่า₁ เพื่อให้ทั้งสองเท่ากัน F_ค, และในทางกลับกัน.

กล่าวอีกนัยหนึ่ง มวลของวัตถุเป็นตัววัดแนวโน้มที่จะต้านทานแรงและดำเนินต่อไปในสถานะการเคลื่อนไหวเดียวกัน แม้ว่ามวลและความเฉื่อยไม่ได้มีความหมายเหมือนกันทุกประการ แต่ความเฉื่อยมักจะวัดเป็นหน่วยมวล ในระบบ SI มีหน่วยเป็นกรัมและกิโลกรัม และในระบบอังกฤษ หน่วยเป็นทาก นักวิทยาศาสตร์มักไม่พูดถึงความเฉื่อยในปัญหาการเคลื่อนไหว พวกเขามักจะพูดคุยเรื่องมวล

วัตถุที่หมุนได้ก็มีแนวโน้มที่จะต้านทานแรงได้เช่นกัน แต่เนื่องจากประกอบด้วยกลุ่มของอนุภาคที่ นักวิทยาศาสตร์พูดถึงโมเมนต์ความเฉื่อยมากกว่าความเฉื่อยในระยะทางต่างๆ จากจุดศูนย์กลางการหมุน ความเฉื่อยของวัตถุในการเคลื่อนที่เชิงเส้นสามารถนำมาประกอบกับมวลของมันได้ แต่การคำนวณโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุที่หมุนอยู่นั้นซับซ้อนกว่าเพราะขึ้นอยู่กับรูปร่างของร่างกาย นิพจน์ทั่วไปสำหรับโมเมนต์ความเฉื่อย (I) หรือวัตถุหมุนมวล m และรัศมี r คือ

ผม = kmr²

โดยที่ k คือค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับรูปร่างของร่างกาย หน่วยของโมเมนต์ความเฉื่อยคือ (มวล) • (ระยะแกนถึงมวลหมุน)².