Ньютон дал следующую формулировку закона инерции : “Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние”.
Историю закона инерции следует начать с Галилея, так как до него понятия движения тел по инерции не было. Аристотель, например, утверждал, что для поддержания движения свободного тела к нему необходимо постоянно прикладывать силу. Галилей в своей работе “Диалоги о двух важнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой” утверждал : “Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления, то… движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца”.
Позже Р. Декарт сформулировал закон инерции в виде двух законов природы : “Первый закон природы: всякая вещь пребывает в том состоянии, в каком она находится, пока ее что-либо не изменит”.
“Второй закон природы: всякое движущееся тело стремится продолжать свое движение по прямой”.
И еще : “…каждая частица материи в отдельности продолжает находиться в одном и том же состоянии до тех пор, пока столкновение с другими частицами не вынуждает ее изменить это состояние…раз уже она начала двигаться, то будет продолжать это движение постоянно с равной силой до тех пор, пока другие ее не остановят или не замедлят ее движение”.
Приведенные формулировки закона инерции, данные Декартом, по своей сути почти ничем не отличаются от формулировки И.Ньютона, за исключением второго закона природы, который можно отнести к каждому моменту движения тела при наличии действующих на него сил. Целесообразность такой формулировки закона инерции –будет показана ниже.
В одной из современных формулировок закон инерции выглядит так : “Если на материальную точку не действуют силы, то она сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения”.
Данная формулировка закона инерции очень похожа на формулировку И.Ньютона, но с одной только разницей: у Ньютона речь идет о теле, а здесь – о материальной точке. И это, на первый взгляд, не существенное различие, на самом деле является принципиальным.
Во-первых, понятие материальной точки является условным, поскольку в природе таких материальных объектов нет. Поэтому создателям механики и в голову не могло прийти сравнивать реальные тела с математической точкой, то есть с фикцией. Другое дело, что движение тел во многих случаях можно было описать как движение одной его точки, за которую принимался центр масс тела. Однако, некритическое отношение к этому вопросу привело в дальнейшем уже к принципиальному убеждению, что законы механики относятся только к материальной точке или к системе материальных точек, а не к реальным телам. Хотя ясно, что точка остается точкой, если ее даже и назвать материальной. И этим самым развитию механики был поставлен труднопреодолимый барьер. Ниже этот вопрос будет обсуждаться подробнее.
Во-вторых, отнесение закона инерции к движению только материальной точки приводит к тому, что сам этот закон также становится фикцией, так как движутся все-таки реальные тела, состоящие из атомов, а в атомах имеются ядра и электроны, которые вращаются вокруг своих осей, а электроны еще и вокруг ядер, причем в целом довольно хаотично. И если средневековые ученые могли еще думать, что все частицы любого тела могут двигаться с одинаковыми скоростями, поскольку они не знали, что все тела состоят из атомов, то современные ученые должны этот факт учитывать.
Таким образом, к закону движения по инерции может быть два варианта отношения: или считать его условным, фиктивным, или учесть реальность и относить его к реальным телам, а не к точкам. При этом необходимо учесть и тот факт, что движения материальных объектов без силового воздействия на них в природе практически не существует.
Такая постановка вопроса приводит к необходимости осмысления новой сущности закона инерции и изменения его формулировки. В §4 первой главы мы уже говорили о необходимости представить этот закон в дифференциальной форме, то есть считать его справедливым, для любого момента движения материальных объектов, независимо от характера этого движения. Сейчас мы сделаем некоторые уточнения для предложенной там формулировки. Это связано, во-первых, с тем, что любое материальное тело представляет собой совокупность частиц, которые в одно и то же время могут иметь разные скорости и ускорения, как, например, во вращательном движении. И, во-вторых, необходимо иметь в виду, что силовое воздействие на тело и его частицы обусловлено подводом энергии
Тогда закон инерции можно сформулировать следующим образом:
– Инерция – это стремление тела, как единого целого сохранить состояние покоя или скорость (энергию) своего движения в любой момент этого движения как при действии на него сил, так и при отсутствии такого воздействия; при прекращении силового воздействия тело будет двигаться в соответствии с имеющейся у него на данный момент скоростью в любой выбранной системе отсчета.
Можно дать и другую формулировку закона инерции:
– В любой момент своего движения материальный объект стремится двигаться с имеющейся у него на данный момент скоростью (энергией) независимо от выбранной системы отсчета, и только внешние воздействия препятствуют такому движению.
Ярким подтверждением справедливости дифференциальной трактовки закона инерции является движение тел по окружности, не связанных жестко с центром вращения, как, например, при движении планет вокруг Солнца (в главе III будет показано, что движение планет вокруг Солнца можно считать вращательным движением). В популярной литературе это движение часто объясняется так: за счет притяжения Солнца планеты падают на него, но наличие у них скорости в касательном направлении смещает планету в сторону, в результате чего и получается движение по окружности (приближенно). С точки же зрения закона инерции круговой характер движения планет следует объяснять таким образом: в любой момент своего движения планета стремится двигаться по направлению имеющейся у нее на данный момент скорости, но под действием притяжения Солнца в каждый момент движения происходит изменение этой скорости (при круговом вращательном движении меняется только направление скорости), в результате чего траектория движения искривляется и становится окружностью при постоянной действующей силе. Здесь следует подчеркнуть, что основное движение планет это движение по инерции, а сила притяжения со стороны Солнца только искривляет траекторию этого движения.
Таким образом, если бы не было инерции у тел, то их движение всегда происходило бы только по направлению действующих на них сил.
Трактовка закона инерции в дифференциальной форме ставит также вопрос и о причинах его существования, то есть о его физической сущности. То, что тела при отсутствии на них силового воздействия должны двигаться с постоянной скоростью, нам понятно, так как при наличии сил появляется ускорение. Но движение по инерции пусть и мгновенное при постоянном силовом воздействии требует осмысления. Здесь, очевидно, следует сравнивать кинетические энергии, связанные с инерционным движением и силовым воздействием. Поскольку любое тело при движении имеет какую-то скорость, то оно имеет и определенную кинетическую энергию. Силовое воздействие тоже связано с затратами энергии. Из опыта нам известно, что чем больше будет сила, приложенная к движущемуся телу, тем сильнее изменится характер его движения. Это значит, что чем больше будет подведенная к телу энергия по сравнению с энергией его движения, тем больше будет ее влияние на характер движения тела. Поэтому можно утверждать, что инерция движущегося тела определяется его кинетической энергией. Именно соотношение кинетической энергии тела и энергии силового воздействия определяет закон движения тела.
Найдем затраты энергии на искривление траектории при вращательном движении тел. К телу, движущемуся по окружности (рис.1), подводится энергия в радиальном направлении, в результате чего изменяется направление его скорости, но не ее величина. Можно ли в этом случае сказать, что происходит изменение кинетической энергии тела? Если иметь в виду только ее величину, то нет. Если же учитывать направленность кинетической энергии, то да. Этот пример является еще одним подтверждением направленности кинетической энергии, ее векторной сущности при движении тел и их взаимодействии, потому что для изменения направления движения необходимо приложить силу, то есть подвести добавочную энергию в определенном направлении. Величина радиальной (центростремительной) силы определяется величиной изменения кинетической энергии тела , отнесенной к величине его радиального перемещения при угле поворота . Изменение кинетической энергии тела будет равно подведенной к нему энергии :
, (1)
где m
– масса тела, - изменение окружной скорости тела при угле поворота от начального положения.
В соответствии с рис.1,б имеем:
, (2)
где V
– окружная скорость тела.
Центростремительная сила определяется отношением при , где в соответствии с рис.1,а будет равно:
(3)
Тогда:
(4)
Затраты кинетической энергии определим, представив выражение (1) с учетом выражения (2) в виде:
(5)
Последовательно увеличивая значение угла в 2, 3,…n
раз, придем к формуле:
, (6)
где за один полный оборот число шагов n
будет равно:
(7)
В соответствии с формулой (6) затраты кинетической энергии при вращательном движении графически представлены на рис.2. Поскольку энергия все время потребляется, то максимальное значение энергии , соответствующее половине оборота, следует удвоить, чтобы найти затраты энергии за полный оборот.
Тогда, имея в виду, что для половины оборота , получим:
(8)
Таким образом, чтобы заставить тело двигаться по окружности, к нему надо подвести энергию в 8 раз большую, чем его собственная энергия движения.
Интересно также отметить следующий результат, вытекающий из полученного нами соотношения. Поскольку затраты энергии можно определить через работу центростремительной силы:
, (9)
где S
– перемещение точки приложения силы, соответствующее направлению ее действия.
Используя выражения (8) и (4), получим:
(10)
Отсюда следует, что перемещение S
представляет собой два диаметра окружности радиуса r
, а работа центростремительной силы будет определяться кратчайшим расстоянием между наиболее удаленными точками окружности при движении тела сперва в одну (удаление), а затем другую (приближение) стороны от его начального положения.
Таким образом, инерцию тела можно определить как его стремление сохранить свою кинетическую энергию при внешнем воздействии. Характер движения тела будет зависеть от соотношения его собственной кинетической энергии и энергии, к нему подведенной. При этом характер движения будет зависеть не только от величины подведенной энергии, но и от направления ее подведения.
Если к телу не подводится никакой энергии, то его энергия не изменяется и оно движется с постоянной по величине и направлению скоростью. Однако, здесь следует иметь в виду, что так можно говорить, если рассматривать тело как единое целое. Если же иметь в виду и частички, из которых состоит тело (электроны и ядра), то для них такое утверждение будет неверно, так как они движутся с переменными скоростями и ускорениями. Очевидно, о постоянстве скорости можно говорить только для центра масс тела. А в целом о теле можно сказать только, что оно движется с постоянной энергией, так как энергия его частичек тоже не меняется. При таком определении инерции не исключается возможность и вращательного движения тела по инерции с постоянной угловой скоростью, или даже сочетание его прямолинейного движения с постоянной скоростью и вращения вокруг центра масс с постоянной угловой скоростью.
Что касается затрат энергии на вращение частичек тела, то противоположно расположенные частички взаимно воздействуют друг на друга (без внешнего воздействия), в связи с чем затрат энергии не происходит.
В свете всего сказанного выше закон инерции Ньютона можно считать интегральным законом, справедливым для конечных промежутков времени. Этот закон можно обобщить и на случай вращательного движения, сформулировав его следующим образом:
– Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного или равномерного вращательного движения пока в результате взаимодействий не изменится его кинетическая энергия.
Таким образом, мы расширили существующее понятие интегрального закона инерции, обобщив его и на равномерное вращательное движение и связав его с постоянством кинетической энергии тела. Причем сделали мы это в классической традиции, связав его с постоянством скорости движения тел. Скорость движения будет постоянной как при отсутствии действия на тело каких-либо сил, так и при действии на него уравновешенной системы сил. Это обстоятельство учитывается в ряде современных формулировок закона инерции. Приведем наиболее развернутую характеристику закона инерции, данную в физической энциклопедии : “Инертность (инерция) (от лат. iners
, род. падеж inertis
– бездеятельный) в механике – свойство материальных тел, проявляющееся в том, что тело сохраняет неизменным состояние своего движения или покоя по отношению к т. н. Инерциальной системе отсчета, когда внешние воздействия на тело (силы) отсутствуют или взаимно уравновешиваются. Если же на тело действует неуравновешенная система сил, то свойство инертности сказывается в том, что изменение состояния покоя или движения тела, то есть изменение скоростей его точек, происходит постепенно, а не мгновенно; при этом движение изменяется тем медленнее, чем больше инертность тела. Мерой инертности тела является его масса”.
Не будем подробно анализировать эту формулировку, обратим внимание только на утверждение о соответствии закону инерции движения тела под действием уравновешенной системы сил. Такое утверждение вызывает сомнения. Действительно, можно ли назвать движением по инерции движение автомобиля с работающим двигателем, хотя он и движется с постоянной скоростью? Ведь при таком движении происходят затраты энергии, внешней по отношению к автомобилю. Это обстоятельство заставляет задуматься при рассмотрении закона инерции с энергетических позиций. Сомнительно, чтобы движение по инерции было связано с затратами внешней энергии. Рассмотрим с этой точки зрения еще несколько примеров. Вернемся снова к движению планет по их орбитам. Предположим для упрощения, что орбиты будут круговыми. Тогда на планеты силы тяготения будут действовать только в радиальном направлении, в касательном же направлении никаких сил не будет и, значит, не будет затрат энергии. В этом случае возникает желание назвать движение в касательном направлении движением по инерции. Но тогда получается, что движение одного и того же тела (планеты) будет одновременно и по инерции в касательном направлении, при котором величина скорости будет постоянной и не инерционным в радиальном направлении, так как при этом будет изменяться направление скорости и будет затрачиваться внешняя энергия (энергия Солнца). Очевидно, что два указанных направления должны быть взаимно перпендикулярными, так как только тогда взаимодействия в этих направлениях не будут влиять друг на друга.
Рассмотрим теперь движение автомобиля с отключенным двигателем, то есть движение накатом, когда на машину действует только сила сопротивления. Машина при этом тормозится, а скорость ее уменьшается. Движение машины в этом случае происходит за счет ее собственной кинетической энергии без использования внешней энергии. Возникает вопрос: можно ли такое движение назвать движением по инерции? Если исходить из классической формулировки закона инерции, то нет. Если же попытаться понять сущность такого движения, то кроме собственной инерции у тела ничего нет, что заставляло бы его двигаться. Значит, именно инерция тела, связанная с его запасом кинетической энергии, заставляет тело продолжать движение до тех пор, пока не будет исчерпан весь ее запас. Если же это так, то такое движение тоже следует считать движением по инерции.
В связи со всем изложенным закон инерции в интегральной форме можно сформулировать следующим образом:
– Если в каком-либо направлении движение тела происходит без затрат внешней энергии или за счет собственной кинетической энергии, такое движение будет движением по инерции.
Под данное определение будут подходить прямолинейное и вращательное движения, совместное вращательное и прямолинейное движения без затрат внешней энергии и при торможении, вращение планет вокруг Солнца и т. п.
Автор выносит на обсуждение такое понимание сущности закона инерции.
И, наконец, следует подчеркнуть важное следствие, имеющее место при использовании закона инерции в дифференциальной форме: в случае реальности сил инерции все системы отсчета – инерциальные и неинерциальные – можно считать равноправными, так как в любой из них будут выполняться все законы механики.
Из повседневного опыта мы можем подтвердить следующее умозаключение: скорость и направление движения тела могут меняться лишь во время его взаимодействия с другим телом. Это порождает явление инерции, о котором мы и поговорим в этой статье.
Что такое инерция? Пример жизненных наблюдений
Рассмотрим случаи, когда какое-нибудь тело на начальном этапе эксперимента уже пребывает в движении. Позже мы увидим, что уменьшение скорости и остановка тела не могут происходить самовольно, ведь причиной тому является действие на него другого тела.
Вы, наверное, не единожды наблюдали, как пассажиры, которые едут в транспорте, вдруг наклоняются вперед во время торможения или прижимаются на бок на крутом повороте. Почему? Объясним далее. Когда, к примеру, спортсмены пробегают определенную дистанцию, они пытаются развить максимальную скорость. Пробежав финишную черту, уже можно и не бежать, однако нельзя резко остановиться, а поэтому спортсмен пробегает еще несколько метров, то есть совершает движение по инерции.
Из вышеперечисленных примеров можно сделать вывод, что все тела имеют особенность сохранять скорость и направление движения, не будучи в состоянии при этом мгновенно их изменить впоследствии действия иного тела. Можно предположить, что при отсутствии внешнего действия тело сохранит и скорость, и направление движения как угодно долго. Итак, что такое инерция? Это явление сохранения скорости движения тела при отсутствии воздействия на него других тел.
Открытие инерции
Такое свойство тел открыл итальянский ученый Галилео Галилей. На основе своих экспериментов и рассуждений он утверждал: ежели тело не взаимодействует с иными телами, то оно либо пребывает в состоянии спокойствия, либо движется прямолинейно и равномерно. Его открытия вошли в науку как Закон инерции, однако более детально сформулировал его Рене Декарт, а уж Исаак Ньютон внедрил в свою систему законов.
Интересный факт: инерция, определение которой привел нам Галилей, рассматривалась еще в Древней Греции Аристотелем, но из-за недостаточного развития науки, точной формулировки приведено не было. гласит: существуют такие
системы отсчета, относительно которых тело, которое движется поступательно, сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют иные тела. Формула инерции в едином и обобщенном виде отсутствует, но ниже мы приведем множество иных формул, раскрывающих ее особенности.
Инертность тел
Все мы знаем, что автомобиля, поезда, корабля или других тел увеличивается постепенно, когда они начинают двигаться. Все вы видели запуск ракет по телевизору или взлет самолетов в аэропорту - они увеличивают скорость не рывками, а постепенно. Наблюдения, а также повседневная практика говорят о том, что все тела имеют общую особенность: скорость движения тел в процессе их взаимодействия меняется постепенно, а поэтому для их изменения необходимо некоторое время. Эта особенность тел получила название инертности.
Все тела инертны, но не у всех инертность одинакова. Из двух взаимодействующих тел она будет выше у того, которое обретет меньшее ускорение. Так, к примеру, при выстреле ружье приобретает меньшее ускорение, чем патрон. При взаимном отталкивании взрослого конькобежца и ребенка взрослый получает меньшее ускорение, чем ребенок. Это свидетельствует о том, что инертность взрослого человека больше.
Для характеристики инертности тел ввели особенную величину - массу тела, ее принято обозначать буквой m . Дабы иметь возможность сравнивать массы различных тел, массу кого-нибудь из них необходимо учесть за единицу. Ее выбор может быть произвольным, однако она должна быть удобной для практического употребления. В системе СИ за единицу взяли массу специального эталона, изготовленного из твердого сплава платины и иридия. Она носит всем нам известное название - килограмм. Следует отметить, что инерция твердого тела бывает 2-х видов: поступательная и вращательная. В первом случае мерой инерции является масса, во втором - момент инерции, о котором мы поговорим позже.
Момент инерции
Так называют скалярную физическую величину. В системе СИ единицей измерения момента инерции является кг*м 2 . Обобщенная формула следующая:
Здесь m i - это масса точек тела, r i - это расстояние от точек тела до оси z в пространственной системе координат. В словесной интерпретации можно сказать так: момент инерции определяется суммой произведений элементарных масс, умноженных на квадрат расстояния до базового множества.
Есть и другая формула, характеризующая определение момента инерции:
Здесь dm - масса элемента, r - расстояние от элемента dm до оси z . Словесно можно сформулировать так: момент инерции системы материальных точек или тела относительно полюса (точки) - это алгебраическая сумма произведения масс материальных точек, составляющих тело, на квадрат расстояния их до полюса 0.
Стоит упомянуть, что существует 2 вида моментов инерции - осевые и центробежные. Есть также такое понятие, как главные моменты инерции (ГМИ) (относительно главных осей). Как правило, они всегда различны между собой. Ныне можно рассчитать моменты инерции для многих тел (цилиндра, диска, шара, конуса, сферы и проч.), однако не будем углубляться в уточнение всех формул.
Системы отсчета
В 1-ом законе Ньютона шла речь о равномерном прямолинейном движении, которое можно рассматривать только в определенной системе отсчета. Даже приближенный анализ механических явлений показывает, что закон инерции выполняется далеко не во всех системах отсчета.
Рассмотрим простой эксперимент: положим мяч на горизонтальный столик в вагоне и понаблюдаем за его движением. Если поезд будет находиться в состоянии спокойствия относительно Земли, то и мяч сохранит спокойствие до тех пор, пока мы не подействуем на него иным телом (например, рукой). Следовательно, в системе отсчета, что связана с Землей, закон инерции выполняется.
Представим, что поезд будет ехать относительно Земли равномерно и прямолинейно. Тогда в системе отсчета, что связана с поездом, мяч сохранит состояние спокойствия, а в той, что связана с Землей, - состояние равномерного и прямолинейного движения. Следовательно, закон инерции выполняется не только в системе отсчета, связанной с Землей, но и во всех других, движущихся относительно Земли равномерно и прямолинейно.
Теперь представим, что поезд быстро набирает скорость либо круто поворачивает (во всех случаях он движется с ускорением относительно Земли). Тогда, как и раньше, мяч сохраняет равномерное и которое он имел до начала ускорения поезда. Однако относительно поезда мяч сам по себе выходит из состояния спокойствия, хотя и нет тел, которые бы выводили его из него. Это значит, что в системе отсчета, связанной с ускорением движения поезда относительно Земли, закон инерции нарушается.
Итак, системы отсчета, в которых выполняется закон инерции, получили название инерциальных. А те, в которых не выполняется, - неинерциальных. Определить их просто: если тело движется равномерно и прямолинейно (в отдельных случаях - это спокойствие), то система инерциальная; если движение неравномерное - неинерциальная.
Сила инерции
Это довольно многозначное понятие, а поэтому попытаемся как можно более детально его рассмотреть. Приведем пример. Вы спокойно стоите в автобусе. Внезапно он начинает двигаться, а значит, набирает ускорение. Вы мимо воли отклонитесь назад. Но почему? Кто вас потянул? С точки зрения наблюдателя на Земле вы остаетесь на месте, при этом выполняется 1-ый закон Ньютона. С точки зрения наблюдателя в самом автобусе, вы начинаете двигаться назад, будто под какой-либо силой. На самом деле ваши ноги, которые связаны силами трения с полом автобуса, поехали вперед вместе с ним, а вам,
теряя равновесие, пришлось падать назад. Таким образом, для описания движения тела в неинерциальной системе отсчета необходимо вводить и учитывать дополнительные силы, что действуют со стороны связей тела с такой системой. Эти силы и есть силы инерции.
Необходимо учесть, что они фиктивны, ибо нет ни единого тела либо поля, под действием которого вы начали двигаться в автобусе. Законы Ньютона на силы инерции не распространяются, однако их использование наряду с "настоящими" силами позволяет описывать движение у произвольных неинерциальных систем отсчета при помощи различных инструментов. В этом состоит весь смысл ввода сил инерции.
Итак, теперь вы знаете, что такое инерция, момент инерции и инерциальные системы, силы инерции. Двигаемся далее.
Поступательное движение систем
Пусть на некое тело, находящееся в неинерциальной системе отсчета, движущееся с ускорением а 0 относительно инерциальной, действует сила F. Для такой неинерциальной системы уравнение-аналог второго закона Ньютона имеет вид:
Где а 0 - это ускорение тела с массой m , что вызвано действием силы F относительно неинерциальной системы отсчета; F ін - сила инерции. Сила F в правой части является «настоящей» в том понимании, что это результирующая взаимодействия тел, зависящая только от разности координат и скоростей взаимодействующих материальных точек, которые не меняются при переходе от одной системы отсчета к другой, движущейся поступательно. Поэтому не меняется и сила F. Она инвариантна относительно такого перехода. А вот F ін возникает не по причине а из-за ускоренного движения системы отсчета, из-за чего она меняется при переходе к другой ускоренной системе, поэтому не является инвариантной.
Центробежная сила инерции
Рассмотрим поведение тел в неинерциальной системе отсчета. XOY вращается относительно инерциальной системы, коей будем считать Землю, с постоянной угловой скоростью ω. Примером может послужить система на рисунке ниже.
Выше изображен диск, где закреплен радиально направленный стержень, а также надет синий шарик, "привязанный" к оси диска эластичной веревкой. Пока диск не вращается, веревка не деформируется. Однако при раскручивании диска шарик понемногу растягивает веревку до тех пор, пока сила упругости F ср не станет такой, что равна произведению массы шарика m на ее нормальное ускорение a п = -ω 2 R, то есть F ср = -mω 2 R , где R - это радиус круга, который описывает шарик при вращении вокруг системы.
Ежели угловая скорость ω диска останется постоянной, то и шарик прекратит движение относительно оси OX. В этом случае относительно системы отсчета XOY, которая связана с диском, шарик будет находиться в состоянии спокойствия. Это объяснится тем, что в этой системе, помимо силы F ср, на шарик действует сила инерции F cf , которая направлена вдоль радиуса от оси вращения диска. Сила, имеющая вид, как в формуле, представленной ниже, называется инерции. Возникать она может только во вращающихся системах отсчета.
Сила Кориолиса
Оказывается, когда тела двигаются относительно вращающихся систем отсчета, на них, помимо центробежной силы инерции, действует еще одна сила - Кориолиса. Она всегда перпендикулярна к вектору скорости тела V, а это означает, что она не выполняет никакой работы над этим телом. Подчеркнем, что сила Кориолиса проявляет себя лишь тогда, когда тело движется относительно неинерциальной системы отсчета, которая осуществляет вращение. Ее формула выглядит следующим образом:
Поскольку выражение (v*ω) является векторным произведением приведенных в скобках векторов, то можно прийти к выводу, что направление силы Кориолиса определяется правилом буравчика по отношению к ним. Ее модуль равен:
Здесь Ө - это угол между векторами v и ω .
В заключение
Инерция - это удивительное явление, которое ежедневно преследует каждого человека сотни раз, пусть мы и сами не замечаем этого. Думаем, что статья дала вам важные ответы на вопросы о том, что такое инерция, что такое сила и моменты инерции, кто открыл явление инерции. Уверены, вам было интересно.
Явление, которому посвящена наша сегодняшняя беседа, встречается в разных жизненных ситуациях. Мы с удовольствием его используем, учитываем и частенько ругаем.
Речь пойдет об инерции. Постараемся разобраться, что скрывается за этим названием.
Что же такое инерция
Наблюдая полёт копья, брошенного рукой атлета, падение всадника через голову споткнувшейся лошади; созерцая камни, веками неподвижно лежащими на одних и тех же местах - греческие мыслители задумывались, что общего в этих явлениях?
Данная им формулировка явления инерции известна как I закон Ньютона.
«Инерция - это физическое явление сохранения скорости тела постоянной, если на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано».
Это означает, что, благодаря инерции, тела, находящиеся в покое, продолжают покоиться, а движущиеся продолжают свое движение, пока на них не окажут воздействие внешние силы.
Например, автомобиль может находиться в покое в двух случаях, если на горизонтальном участке дороги его двигатель выключен, либо его двигатель включен, но силы сопротивления уравновесили силу тяги двигателя, т. е. скомпенсировали её.
Теперь вернемся к нашему всаднику, перелетающему через голову споткнувшейся лошади. Лошадь, споткнувшись, резко теряет скорость, а невезучий всадник… по инерции продолжает движение.
По этой же причине при ДТП водитель, пренебрегающий ремнями безопасности, получает удар о лобовое стекло.
Почему, поскользнувшись при ходьбе, мы падаем назад? Тело по инерции сохраняет прежнюю скорость, а ноги на скользком участке быстренько «убегают» вперед.
Формула силы инерции
Количественной характеристикой явления инерции является сила инерции.
Для расчета этой силы используют формулу:
- F ин - сила инерции;
- m - масса тела;
- a - ускорение.
Знак минус указывает на то, что сила инерции противодействует силе, вызвавшей изменение скорости тела.
Понятие инертности в физике
Итак, инерция - это физическое явление. С ним тесно связано еще одно понятие - инертность. Под инертностью в физике понимают свойства тел противодействовать мгновенному изменению направления или скорости движения.
Любое тело не может мгновенно изменить свою скорость, однако, одни тела это делают быстрее, другие - медленнее. Для остановки гружёного и порожнего самосвалов, движущихся с одинаковой скоростью, требуется разное время.
Это происходит потому, что тело с большей массой более инертно, и ему на изменение скорости требуется больше времени. То есть мерой инертности в физике является масса тела.
Инертные люди, инертные газы
Термин «инертный» широко используется в химии. Он относится к химическим элементам, которые при обычных условиях не вступают в химические реакции. Например, благородные газы аргон, ксенон и др.
Этот термин может быть применен и к поведению человека. Инертные люди отличаются равнодушием к окружающему миру. Они противятся любым переменам, как в их собственной судьбе, так и в работе. Они ленивы и безынициативны.
Инертность вращающихся объектов
Все приведенные ранее примеры относились к поступательно движущимся телам. А как же быть с вращающимися объектами? Скажем, с вентилятором, с маховиком в двигателе внутреннего сгорания или детской игрушке. Ведь после выключения электрического вентилятора его лопасти ещё некоторое время по инерции продолжают крутиться.
Насколько тела инертны во время вращения определяет момент инерции. Он зависит от массы тела, его геометрических размеров и расстояния до оси вращения. Изменение этого расстояния влияет на скорость вращения тела. Это используют спортсмены - фигуристы, поражая зрителей продолжительным вращением с изменением скорости.
Специальные расчёты позволяют определить оптимальные размеры механизма и допустимую скорость вращения, чтобы не допустить разрыва вращающихся частей.
Т.е. момент инерции во вращательном движении играет ту же роль, что и масса при поступательном движении. Но в отличие от массы момент инерции можно изменять, как это делают фигуристы - то широко разводя руки, то прижимают их к груди.
Инерция вокруг нас
Именно это явление используют:
- для сбрасывания ртутного столбика в медицинском термометре и выбивания пыли из ковров;
- для продолжения движения после разбега на коньках, лыжах, велосипеде;
- для экономии горючего при езде на автомобиле;
- в принципе работы артиллерийских детонаторов и т. д.
Это лишь небольшая часть из всех применений инерции. Но не следует забывать о возможной опасности, которую таит это явление природы. Надпись на заднем борту грузовика «Водитель, сохраняй дистанцию», напоминает, что транспорт мгновенно остановить нельзя.
И при торможении впереди едущего автомобиля, следующая за ним машина, остановиться мгновенно не может. По этой же причине категорически запрещено перебегать дорогу перед движущимся транспортом.
Теперь вы легко ответите на вопрос, почему при торможении автомобилей обязательно включается задний красный свет, почему при повороте водитель обязательно сбрасывает скорость.
В спортзале и на катке, в цирке и в мастерской - инерция сопровождает нас всюду. Присмотритесь.
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя
Идея закона инерции была высказана Галилеем в начале XVII в. Галилей первый ввел в физику представление об «идеальном движении», т. е. о движении, свободном от всяких помех - таких, как трение и сопротивление воздуха. Галилей пришел к правильному выводу, что в идеальном случае тело, освобожденное от влияния тяжести, должно вечно двигаться с неизменной скоростью. Декарт развил этот вывод и указал, что свободное тело стремится продолжать свое движение по прямой линии. Ньютон принял закон инерции в качестве первого закона механики и выразил его следующими словами:
Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние.
Представляется само собой понятным, что тело, пребывающее в покое, будет оставаться в покое, пока оно не выведено из этого состояния действием каких-либо сил. Точно так же представляется понятным, что если на движущееся прямолинейно тело не действуют никакие силы, то нет причин, которые могли бы побудить тело отклониться от прямолинейного пути (здесь можно было бы сослаться на соображения симметрии; в отсутствии сил отклонение тела от прямолинейного пути в любую наперед указанную сторону не более возможно, чем отклонение в сторону прямо противоположную; поэтому нет оснований, чтобы отклонение произошло). Менее очевидным на первый взгляд является утверждение, что при отсутствии сил скорость тела будет оставаться неизменной; в повседневном опыте мы наблюдаем обратное. Всякое движущееся тело, если его движение не поддерживать действием силы, рано или поздно останавливается, но, с другой стороны, тот же повседневный опыт указывает нам, что остановка происходит тем быстрее, чем более велики существующие сопротивления движению. Мы совершенно правильно привыкли рассматривать силы сопротивления как причину замедления Движения; поэтому, если мы вообразим, что некоторое тело движется, не испытывая никаких сопротивлений своему движению, то
естественно ожидать, что в этих условиях скорость тела будет оставаться неизменной.
Вследствие сказанного иногда рассматривают закон инерции как истину априорную (т. е. как истину, установленную умозрительно и не нуждающуюся в обосновании посредством опыта). Это, однако, неверно. Все три ньютоновых закона механики (закон инерции и два других закона, которые мы рассмотрим в последующих параграфах) представляют собой истины, добытые опытным путем. В этом их значение. Что закон инерции действительно почерпнут из опыта, а не получен чисто умозрительным путем, в этом легче всего убедиться, глубже вникнув в смысл закона инерции и сопоставив его (что будет сделано ниже) с теми представлениями, которые существовали ранее по поводу законов движения электрических зарядов.
Следуя Ньютону, под «инерцией» надлежит понимать не просто факт покоя или факт равномерного движения при отсутствии сил, но некое присущее всякой массе упорное стремление к сохранению состояния покоя и такое же упорное стремление к сохранению равномерного прямолинейного движения. Пока тело предоставлено самому себе, пока на него не действуют никакие силы, «упорство инерции», понятно, не может проявиться ни в чем ином, как в том, что тело продолжает пребывать в покое или продолжает двигаться равномерно и прямолинейно. Но когда мы выводим тело из состояния покоя или заставляем его двигаться быстрее, или затормаживаем его, или отклоняем его от прямолинейного пути, то упорство инерции проявляется в виде оказываемого телом сопротивления, направленного против приложенных к телу сил.
Чтобы оттенить эту мысль, которую мы здесь за отсутствием более подходящих слов стремились выразить словами «упорство инерции», Ньютон говорит, что всякому телу присуща пропорциональная массе этого тела «врожденная сила сопротивления», или, что то же, сила инерции. Этот эпитет «врожденная сила» производит впечатление метафизической идеи, однако из всего сказанного Ньютоном о силах инерции ясно, что этим несколько неудачным выражением Ньютон хотел только подчеркнуть, что 1) инерция составляет неотъемлемое свойство всех тел, присущее им независимо от их физического состояния и химической природы и проявляющееся при всех изменениях характера движения тела, 2) инерция существует объективно, а не определяется произвольным выбором системы ориентировки, по отношению к которой исследуется движение тел. Ньютон пишет: «Сила инерции проявляется телом единственно лишь, когда другая сила, к нему приложенная, производит изменение в его состоянии движения. Проявление этой силы инерции может быть рассматриваемо двояко: и как собственно сопротивление и как напор. Как собственно сопротивление, поскольку тело противится действующей на него силе, стремясь сохранить свое состояние
движения; как напор, поскольку то же тело, с трудом уступая силе сопротивляющегося ему препятствия, стремится изменить состояние этого препятствия».
Когда какое-либо тело вследствие каких-либо причин начинает двигаться быстрее или медленнее, то это тело развивает (проявляет) силу инерции, но приложена эта сила инерции к другим телам и именно к тем, которые изменяют состояние движения первого тела. Так, например, когда мы бросаем камень, то развиваемая камнем сила инерции приложена к нашей руке: камень давит на руку. Когда, стоя на гибкой доске, мы подпрыгиваем, то развиваемая нами сила инерции прогибает доску. Когда велосипедист с большой скоростью врезывается в толпу людей, он, не нажимая педалей, продолжает некоторое время двигаться по инерции, опрокидывая людей, но развиваемая велосипедистом вследствие потери скорости сила инерции приложена, понятно, не к велосипедисту, но именно к тем людям, которых он опрокидывает.
Можно ли сказать, что это представление об инерции, которое и составляет сущность первого закона механики, является продуктом чисто умозрительного творчества, а не обобщением наблюдаемых фактов? Конечно, нет! Мы могли бы вообразить, что какое-либо тело лишено инерции, что действие приложенной к нему силы вызывает и поддерживает его движение, а когда действие приложенной силы прекращается, то тело мгновенно останавливается. Именно эту точку зрения применительно к электрическим зарядам развил Ампер в своих классических трудах по электродинамике; Ампер исходил из принципа, что электричество лишено инерции. Впоследствии было обнаружено, что этот принцип ложен; элементарные электрически заряженные частицы - электроны - имеют массу, и им свойственна инертность. Даже свет имеет инертную массу. На современной ступени развития физики мы не знаем ни одного проявления материи, которое было бы лишено инерции.
). Иными словами, телам свойственна ине́рция (от лат. inertia - «бездеятельность», «косность»), то есть явление сохранения скорости, если внешние воздействия на них скомпенсированы.
Первый закон Ньютона с точки зрения современных представлений можно сформулировать так: существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на него внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции, называют инерциальными системами отсчёта (ИСО).
Явлением инерции также является возникновение фиктивных сил инерции в неинерциальных системах отсчета.
Впервые закон инерции был сформулирован Галилео Галилеем , который после множества опытов заключил, что для движения свободного тела с постоянной скоростью не нужно какой-либо внешней причины. До этого общепринятой была иная точка зрения (восходящая к Аристотелю): свободное тело находится в состоянии покоя, а для движения с постоянной скоростью необходимо приложение постоянной силы.
Принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета все физические процессы протекают одинаково(если условия для всех тел одинаковы). В системе отсчета, приведенной в состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно инерциальной системы отсчета (условно - «покоящейся») все процессы протекают точно так же, как и в покоящейся системе.
Следует отметить что понятие инерциальной системы отсчета - абстрактная модель (некий идеальный объект рассматриваемый вместо реального объекта. Примерами абстрактной модели служат абсолютно твердое тело или невесомая нить), реальные системы отсчета всегда связаны с каким-либо объектом и соответствие реально наблюдаемого движения тел в таких системах с результатами расчетов будет неполным.
См. также
Литература
Ссылки
- Masreliez, C J; Dynamic incremental scale transition with application to physics and cosmology , Physica Scripta (oct 2007)
- Masreliez C. J. , Motion, Inertia and Special Relativity - a Novel Perspective, Physica Scripta, (dec 2006)
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Инерции закон" в других словарях:
Один из осн. законов механики, согласно к рому при отсутствии внеш. воздействий (сил) или когда действующие силы взаимно уравновешены тело сохраняет неизменным состояние своего движения или покоя относительно инерциальной системы отсчёта. В… … Физическая энциклопедия
См. Ньютона законы … Большой Энциклопедический словарь
См. Ньютона законы. * * * ИНЕРЦИИ ЗАКОН ИНЕРЦИИ ЗАКОН, см. Ньютона законы (см. НЬЮТОНА ЗАКОНЫ) … Энциклопедический словарь
Квадратичных форм теорема, утверждающая, что при любом способе приведения квадратичной формы с действительными коэффициентами к сумме квадратов посредством линейной замены переменных где Q невырожденная матрица с действительными коэффициентами,… … Математическая энциклопедия
Первый закон Ньютона (см. Ньютона законы механики) … Большой энциклопедический политехнический словарь
Первый Ньютона закон … Естествознание. Энциклопедический словарь
Один из основных законов механики, согласно которому при отсутствии внешних воздействий (сил) или когда действующие силы взаимно уравновешены, тело сохраняет неизменным состояние своего движения или покоя относительно инерциальной системы … Большая советская энциклопедия
В физике первый закон Ньютона. см. статью Инерция Закон инерции в математике см. раздел «Свойства» в статье «Квадратичная форма» (закон инерции Сильвестра) … Википедия
ЗАКОН ИНЕРЦИИ - см … Большая политехническая энциклопедия
Сила инерции фиктивная сила, которую можно ввести в неинерциальной системе отсчёта так, чтобы законы механики в ней совпадали с законами инерциальных систем. В математических вычислениях введения этой силы происходит путём преобразования… … Википедия
Книги
- ИндуктоМеханика , Г. К. Гребенщиков. В книге представлены модели зарядов и основных взаимодействий - электрического, магнитного, гравитационного, сильного и слабого, представлены модели инертной и гравитационной масс, модель…