Інерція: що це і чому це важливо? (з прикладами)

Той, хто коли-небудь інстинктивно тримав руки на приладовій панелі автомобіля, очікуючи, що транспортний засіб раптово зупиниться, розуміє концепціюінертність, навіть якщо вона ніколи не присвячувала ніяких конкретних думок законам фізики.

Цій настороженій пасажирці може не спасти на думку, що той самий фізичний принцип пояснює, чому вона свідомо нахиляє голову назад до підлокітника сидіння, коли водій збирається натиснути на педаль газу: З досвіду вона знає, що водій з "свинцевими ногами" схильний піддавати їй ризик хлистів і піддавати її силі, спрямованій назад, коли машина злітає.

Рухаючись вниз за шкалою терміновості, намагаючись дістати з пляшки останню заправку для салату чи кетчупу, струшуючи її, атлетичні події, такі як стрибок у довжину та постійне коливання крісла-гойдалки після того, як ви перестанете намагатися розгойдуватись, все це є прикладамизакон інерції, Перший закон руху Ньютона у повсякденному житті.

На повсякденному рівні ви можете почути жарт друга про те, що «інерція» заважала йому встати з ліжка та пробігти того ранку 5-мильну пробіжку. Хоча таке прощення, яке можна пробачити, технічно не є формальним прикладом інерції у світі фізики, цей різновид легкої балаканини про власну передбачувану схожість з лінивцем, тим не менше, є ілюстрацією однієї з найважливіших концепцій серед усіх застосованих фізика.

Принцип інерції описуєтенденція об'єкта залишатися в стані спокою або залишатися в русі з постійною швидкістю.Таким чином, це міра опору об’єкта зміні свого стану, будь то рухоме тіло чи щось, що сидить на столі. Якщо об’єкт має більшу інерцію, йому потрібно більше роботи, щоб змінити свій стан, будь то спокій або постійна швидкість. Відповідно, об'єкти з меншою інерцією перебувають у легших за зміною станах.

Однією з причин, що аспект "постійної швидкості" може бути не інтуїтивним, є наявність тертя. Коли ти штовхаєш м'яч по полю, він відскакує і врешті-решт котиться до зупинки через тертя дерну. Але якби ігрове поле могло стати без тертя, м’яч продовжував би рухатися вічно з незмінною швидкістю, якщо тільки його не зупинить зовнішня сила. (Зайве говорити, що такий стан речей також неодмінно вплине на правила гри в м’яч - і на все інше - на Землі).

• Іноді ви побачите закон інерції, згаданий із терміном "постійна швидкість" замість "постійна швидкість". Хоча це правда, це недостатньо описово; швидкість - це лише величина (числове значення), тоді як швидкість є векторною величиною і, отже, включає також напрямок (x, y, z).

Ісаак Ньютон (1642-1726) залишається володарем одного з найвидатніших інтелектів в історії людства, фактично зібравши математичну дисципліну числення. з нуля і надаючи знання про рух тіл, що надихнуло Галілея Галілея, великого архітектора ідей астрофізики, і незліченну кількість інші.

Перший закон Ньютона іноді називають законом інерції, оскільки він описує цю тенденцію об'єкта як залежну від наявності або відсутності зовнішньої сили. При відсутності чистої сили на об’єкт його рух не зміниться. Таким чином, цей закон не сприяє рівнянням руху, також розробленим Ньютоном, можливо, допомагаючи пояснити, чому деякі студенти йому не знайомі.

​Другий закон Ньютонапропонує, щоб сили діяли на прискорення мас, або математично,

Цей закон пов'язує чисту силу в системі, включаючи напрямок, з масою та рухом її частинок. Для обчислення чистої сили ви просто берете векторну суму всіх сил, що діють на об'єкт. Нарешті, третій закон Ньютона стверджує, що для кожної сили існує рівна і протилежна сила в природа - "рівна і протилежна реакція", яка іноді застосовується жартома, але багатозначно в повсякденному житті мову.

Основним проектом усієї фізики є розуміння руху предметів, у тому числі багатьох, яких людське око не може бачити, і частинок, існування яких може бути не більше ніж грайлива ідея. Реальне застосування закону інерції включає конструкцію пристроїв безпеки для транспортних засобів, включаючи, але не обмежуючись, крісла ремені, які можуть забезпечити зовнішню силу, щоб зупинити рух тіла у разі раптової зміни фізики безпосереднього середовище.

Інерція об’єкта також має цікаве використання в космічних подорожах. Наприклад, як тільки пристрій вирветься з гравітації Землі, він буде продовжувати свою задану траєкторію, поки не зіткнеться з іншим гравітаційним полем або об’єктом. Космічні зонди можуть надходити на великі відстані без будь-якого додаткового палива, необхідного, крім того, яке потрібно для "втечі" із Землі, внесення незначних навігаційних змін або посадки на інший об’єкт.

Як обговорювалося раніше, об'єкти, що рухаються на Землі, не відразу виявляються "намірними" продовжувати з постійною швидкістю через зовнішню силу тертя. Оскільки тертя є практично скрізь (навіть повітря накладає значну його частину на більш високих швидкостях) і постійно сповільнюється об'єкти, якщо постійно не додаються додаткові сили для боротьби з ним, суть закону інерції не є такою інтуїтивний.

Іноді називають обертальною інерцієюмомент інерціїє кутовим аналогом інерції. Це властивість тіла, яке залежить від маси тіла, радіуса та осі обертання. ІнерціяЯ- це обертальний рух, що маса - це лінійний рух, але хоча інерція та маса є аналогами, інерція має одиниці маси, помножені на квадрат відстані (наприклад, кг⋅м²).

Ця величина описує, наскільки важко або легко змінити обертання об’єкта, включаючи його початок обертання або зупинку, коли він вже обертається.

Крім того, тоді як лінійна кінетична енергія виражається як

обертальна кінетична енергія задається

де ω являє собоюкутова швидкістьв радіанах за секунду.

Важливо визнати, що концепція інерції не мала б сенсу без використання систем відліку, абоінерційні кадри. Інерційний кадр - це той, який можна трактувати як нерухомий, щоб іншим об'єктам у кадрі можна було присвоїти значущі значення дляv​, ​а​, ​рі так далі. Отже, це рамка, в якій застосовуються закони Ньютона. Система координат сітки зазвичай накладається на частину цього кадру, яка часто є самою Землею.

Хоча Земля для всіх практичних цілей "фіксована" щодо більшості повсякденних зусиль людини, ретельні експерименти можуть показати, що фізичні дані, зібрані в лабораторії в певному місце розташування з часом трохи відрізняється завдяки обертанню Землі разом з її обертом навколо Сонця, поступальним рухом через саму Галактику Чумацький Шлях тощо на.

Здається, особистий досвід також представляє порушення закону інерції. Майже у всіх випадках це непорозуміння виникає внаслідок несвідомого ставлення до системи відліку як до інерційної, коли вона не є такою. Наприклад, якщо ви перебуваєте на каруселі, особливо на такій, що має велику кутову швидкість, ви відчуваєте, ніби вас прискорюють в будь-який час убік, замість того, щоб відчувати, як ваше тіло "хоче" продовжувати рухатися по прямій, дотичній до краю карусель.