Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЗАКОН ИНЕРЦИИ
МАССА ТЕЛА
Так что же такое инерция?
Ответ на этот и другие вопросы дам вам я.
Так давайте же начнём.
Ине́рция (от лат. inertia — бездеятельность, косность) — свойство тел сохранять покой или равномерное прямолинейное движение, если внешние воздействия на него отсутствуют или взаимно скомпенсированы.
Формулировка
Существование явления инерции в классической механике постулируется Первым законом Нью́тона, который также называется Зако́ном ине́рции. Его классическую формулировку дал Ньютон в своей книге «Математические начала натуральной философии»:
* Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
Современная формулировка закона:
Существуют такие системы отсчёта, относительно которых материальная точка при отсутствии 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). Все другие системы отсчёта (например, вращающиеся или движущиеся с ускорением) называются соответственно неинерциальными. Проявлением неинерциальности в них является возникновение фиктивных сил, называемых «силами инерции».
Древнегреческие учёные, судя по дошедшим до нас сочинениям, размышляли о причинах совершения и прекращения движения. В «Физике» Аристотеля (IV век до н. э.) приводится такое рассуждение о движении в пустоте:
|
Никто не сможет сказать, почему тело, приведенное в движение, где-нибудь остановится, ибо почему оно скорее остановится здесь, а не там? Следовательно, ему необходимо или покоиться, или двигаться до бесконечности. |
Однако сам Аристотель считал, что пустота в природе не может существовать, и в другом его труде, «Механике», утверждается:
|
Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие. |
Наблюдения действительно показывали, что тело останавливалось при прекращении действия толкающей его силы. Естественное противодействие внешних сил (сил трения, сопротивления воздуха и т. п.) движению толкаемого тела при этом не учитывалось. Поэтому Аристотель связывал неизменность скорости движения любого тела с неизменностью прилагаемой к нему силы.
Только через два тысячелетия Галилео Галилей (1564—1642) смог исправить эту ошибку Аристотеля. В своем труде «Беседы о двух новых науках» он писал[2]:
|
…скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены внешние причины ускорения или замедления, — условие, которое обнаруживается только на горизонтальной плоскости, ибо в случае движения по наклонной плоскости вниз уже существует причина ускорения, в то время, как при движении по наклонной плоскости вверх налицо замедление; из этого следует, что движение по горизонтальной плоскости вечно |
Это суждение нельзя вывести непосредственно из эксперимента, так как невозможно исключить все внешние влияния (трение и т. п.). Поэтому, здесь Галилей впервые применил метод логического мышления, базирующийся на непосредственных наблюдениях и подобный математическому методу доказательства «от противного». Если наклон плоскости к горизонтали является причиной ускорения тела, движущегося по ней вниз, и замедления тела, движущегося по ней вверх, то, при движении по горизонтальной плоскости, у тела нет причин ускоряться или замедляться, и оно должно пребывать в состоянии равномерного движения или покоя.
Таким образом, Галилей просто и ясно доказал связь между силой и изменением скорости (ускорением), а не между силой и самой скоростью, как считал Аристотель и его последователи. Это открытие Галилея вошло в науку как Закон инерции. Надо отметить, что Галилей допускал свободное движение не только по прямой, но и по окружности (видимо, из астрономических соображений). В современном виде закон инерции сформулировал Декарт. Ньютон включил закон инерции в свою систему законов механики какпервый закон.
ПРИМЕРЫ
Интереснейшим подтверждением существования инерции служит обыкновенный волчок. Ось вращения стремится сохранить свое равновесие, волчок как бы сопротивляется попытке его опрокинуть. Чем массивнее волчок и чем быстрее он вращается, тем упорнее противодействует он опрокидыванию.
К станции быстро приближался товарный поезд. И тут впереди зажегся красный свет. Завизжали тормоза, из - под колес посыпались искры, но поезд все ехал, лишь понемногу замедляя свой ход, - только у самого светофора он остановился. Вот загорелся зеленый свет, и поезд начал трогаться с места. Однако поехал он сначала не вперед, а назад: электровоз подтолкнул первый вагон ко второму, эти два - к третьему и т. д. И только когда вагоны стали ближе друг к другу, электровоз дернул вперед. За ним послушно двинулся первый вагон, дальше - второй, потом - третий... Так по одному трогались они, сразу весь состав не сдвинуть с места - слишком тяжелый. А значит, слишком велика сила трения между колесами и рельсами. Вагонам она мешает начать движение, а электровозу помогает: его колеса без нее вертелись бы вхолостую.
Выходит, пока поезд ехал, он не хотел останавливаться, а когда стоял - неохотно начинал двигаться. Почему же он такой упрямый? Оказывается, так велит ему закон инерции. Слово «инерция» по - латыни означает «бездействие», «лень». Именно поэтому ленивых, бездеятельных людей называют инертными.
А сам закон инерции гласит: всякий предмет сохраняет свое состояние - покоя или равномерного прямолинейного движения, пока какая - либо сила не изменит это состояние. Поезд ехал, а сила тормоза его останавливала, потом он стоял, а сила тяги электровоза сдвинула его с места.
Закон инерции действует всегда и повсюду. Почему так медленно стряхивается термометр? Потому что ртуть в столбике не хочет менять свое положение. Еще нагляднее следующий пример. Полный стакан с водой стоит на краю стола. Под стаканом лист бумаги, который слегка свешивается вниз. Потяните бумагу медленно - стакан поедет на ней, как на салазках, упадет и разобьется, а выдерните бумагу резко - стакан не шелохнется, даже вода в нем не заколеблется.
Или вот еще пример. К ветке дерева на прочной нитке подвешен кирпич, а вторая такая же нитка, прикрепленная к кирпичу, свободно свешивается вниз. Потяните за нижнюю нитку постепенно все сильнее - кирпич упадет, так как верхняя нитка порвется. Ведь на нее действовала не только ваша рука, но и тяжесть кирпича. Снова привяжите, как было, и резко дерните за нижнюю нитку - теперь оторвется она, а кирпич словно и не заметит этого. И чем тяжелее кирпич, тем этот опыт будет нагляднее. Впрочем, правильнее будет сказать не «тяжелее», а массивнее. Спрашивается: а какая разница? Все мы привыкли, что тяжелый и массивный - одно и то же. Действительно, на Земле тяжесть (вес) и масса практически равны. На деле это разные понятия.
Если подвесить гирю к пружинным весам, они покажут ее вес. Можно гирю снять и ухватить за крюк рукой. Чтобы потянуть его вниз, надо приложить некоторую силу. Значит, вес - это сила, сила тяжести или притяжения к Земле. Она зависит от расстояния до центра Земли и от размеров (вернее, массы) самой Земли. На высокой горе вес тела чуть меньше, чем в низине, а на Луне он был бы меньше в шесть раз, поскольку Луна намного меньше Земли. Таким образом, вес изменяется.
Если же взять рычажные весы и положить на одну чашу килограммовую пачку сахару, а на другую - гирю в один килограмм, то эти грузы уравновесятся. Так будет сравниваться масса двух предметов. Эти результаты будут точно такими же и на горе, и на Луне, потому что масса везде одинакова.
Значит, пружинные весы показывают тяжесть, а рычажные - массу. И именно при большой массе заметно проявляется закон инерции. Мы видели это на примере товарного поезда. А легкая электричка гораздо быстрее останавливается и трогается с места.
Закон инерции нужно знать всем. Например, пешеходу, который переходит улицу перед самой машиной, не думая о том, что она не может внезапно остановиться. Или тому, кто едет в кузове грузовика: надо держаться на крутом повороте, иначе легко вылететь за борт. Ведь по инерции тело стремится двигаться прямолинейно.
Но, не только опасаясь беды, следует помнить об инерции. Она может быть и полезной. Скажем, когда насаживают топор: с каждым ударом он по инерции садится все глубже на топорище. А чтобы перепрыгнуть через ручей, вы разгоняетесь и летите по инерции.
Не каждый знает, что тот же закон действует и в таком житейском случае. Когда выбивают ковер, то засевшая в нем пыль (хоть она и легка, но все же имеет массу) отстает и вылетает под действием инерции от ковра в тот момент, когда ковер прогибается под ударами палки.
Вся наша жизнь на каждом шагу связана с инерцией. На льду человек, как правило, падает назад, а на снегу всегда вперед. Почему - вы объясните самостоятельно. Как и то, почему пассажиры в автобусе дружно качаются на поворотах, а когда водитель тормозит, то их валит вперед, если же резко трогается, то назад.
Все это - проявления закона инерции, открытого 300 лет назад великим английским ученым Исааком Ньютоном, одного из главных законов классической механики Галилея - Ньютона.