Инерция

Нам хорошо известно, что ни одно тело само собой не приходит в движение. Например, стоящий в комнате стол никогда сам собой не начнет двигаться. В то же время, движущееся тело не может само собой остановиться. На Земле же все тела останавливаются из-за действия на них сил трения. Чтобы быстрее остановить автомобиль водитель нажимает на педаль тормоза, увеличивая трение колес о тормозные колодки. Из этих примеров следует, что для того, чтобы изменить движение тела, необходимо внешнее воздействие на него.

В тех случаях, когда внешнее воздействие отсутствует, тела стремятся сохранить состояние покоя или состояние равномерного и прямолинейного движения. Причем, чем инертнее тело, тем отчетливее проявляется его «желание» сохранить свое исходное состояние. Например, очень трудно представить себе, что поезд или автобус можно мгновенно остановить, или, наоборот, заставить их мгновенно двигаться с большой скоростью.

Из этих примеров следует, что из-за наличия у тел свойства инертности, наблюдается явление, названное инерцией.

Инерция – это явление сохранения телом состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения в отсутствии внешнего воздействия.

Если тело когда-то приобрело скорость, то оно будет ее сохранять, до тех пор, пока другие тела не начнут действовать на него. Поэтому движение тела, происходящее без внешних воздействий, называют движением по инерции.

Слово «инерция» (латинское) означает неподвижность, бездеятельность.

В литературе часто используют такое образное выражение: «Он делал все по инерции». Попробуйте объяснить состояние человека в описанном примере.

Исходя из определения инерции, на Земле это явление практически не встречается потому, что всегда присутствует внешнее воздействие на тело (земное притяжение, трение, сопротивление воздуха и т.д.). Поэтому выражение «тело движется по инерции» в земных условиях имеет смысл только тогда, когда на тело действуют малые внешние силы, а само движение рассматривается в малом временном интервале. Например, можно считать, что автомобиль с выключенным двигателем движется по инерции, но только в малом временном промежутке. В большом временном интервале обнаруживается изменение скорости, т.к. на тело действует трение колес о дорогу, и поэтому автомобиль перестает двигаться равномерно.

Чтобы наблюдать движение по инерции в земных условиях, необходимо создать идеальные условия, хотя бы мысленно.

Фото и биография Галилея

Галилео Галилей, великий итальянский физик, проводя опыты с тележками, скатывающимися с наклонной плоскости на горизонтальные поверхности с меняющимся покрытием (песок, кошма, стекло) (см. рис.3.21), установил, что поверхность оказывает влияние на длительность движения. На поверхности с песком тележка останавливается очень быстро, а на стеклянной поверхности ее движение продолжается долго. Он мысленно продолжил свой эксперимент и пришел к заключению, что в случае идеально гладкой поверхности движение тележки продолжалось бы бесконечно долго, т.е. мы пришли бы к движению по инерции.

Наблюдение движения по инерции и покоя по инерции возможно лишь в определенных системах отсчета.

Если провести опыты с тележкой, находящейся в прозрачном вагоне поезда (прозрачность нужна для удобства внешнего наблюдателя), то в том случае, когда поезд трогается с места, для пассажиров поезда тележка, неподвижно стоявшая на полу вагона, сама приходит в движение относительно вагона (т.е. относительно пассажиров) в сторону противоположную движению поезда. Тем не менее, для наблюдателя, стоящего на платформе вокзала, тележка как была неподвижной, так и остается на месте. Для внешнего наблюдателя движется вагон, а не тележка. То есть внешний наблюдатель фиксирует инерцию покоя у тележки. А внутренний наблюдатель не в состоянии объяснить поведение тележки, так как не видит причину, вызвавшую движение тележки.

Для пассажиров поезда, движущегося равномерно и прямолинейно, покой тележки будет продолжаться до тех пор, пока поезд не начнет тормозить или менять направление движения. При торможении поезда его пассажиры фиксируют что, стоявшая неподвижно на полу вагона тележка устремляется вперед. Для внешнего наблюдателя при торможении поезда происходит следующее: вагон уменьшает свою скорость, а тележка продолжает двигаться прямолинейно и равномерно с прежней скоростью, т.е. он в этом случае фиксирует инерцию движения у тележки. В обоих случаях для внешнего наблюдателя тележка старается сохранить свое первоначальное состояние (либо покоя, либо движения).

В описанных опытах внешний наблюдатель видит инерцию, но в течение малого промежутка времени.

Пассажиры поезда, движущегося равномерно и прямолинейно, фиксируют, что незакрепленная тележка, стоящая в вагоне, остается неподвижной, а телеграфные столбы и деревья у обочины дороги движутся равномерно и прямолинейно. Внешний наблюдатель фиксирует, что столбы и деревья неподвижны, а тележка, стоящая на полу вагона движется равномерно и прямолинейно.

Из этого следует, что система отсчета, связанная с равномерно и прямолинейно движущимся поездом, и система отсчета, связанная с неподвижной Землей, равноправны.

В таких системах отсчета тела при отсутствии внешних воздействий сохраняют состояние равномерного прямолинейного движения (или покоя ). Эти системы отсчета называют инерциальными.

В системах отсчета, движущихся с меняющейся скоростью (неинерциальные системы отсчета), тела не сохраняют состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Для наблюдателя, находящегося в неинерциальной системе отсчета, скорость тела как бы изменяется беспричинно. Объяснение этому у него не находится. Объяснить это может только наблюдатель, который находится в инерциальной системе отсчета. У него причиной сохранения телом состояния покоя или движения в этом случае становится явление инерции.

Теперь можно объяснить, почему велосипед, который был разогнан велосипедистом, может довольно длительное время сохранять свое движение, и почему конькобежец, разогнавшись с большой скоростью, входя в поворот, рискует быть выброшенным с беговой дорожки. Это может объяснить только наблюдатель, находящийся в инерциальной системе отсчета. С его точки зрения во всем «виновато» явление инерции.

Явление инерции используют для сохранения равномерности движения. Во многих устройствах используют тяжелые маховики, которые, вращаясь на оси, позволяют не только экономно и долго двигаться машинам, на которых они установлены, но и обеспечивают равномерное вращение валов.

Движение по инерции лежит в основе принципа действия взрывателей артиллерийских снарядов. Когда снаряд, ударившись о препятствие, резко останавливается, взрывной капсюль, находящийся внутри снаряда, но не связанный жестко с его корпусом, продолжает движение по инерции. Когда он наскакивает на жало взрывателя, то происходит взрыв.

Представьте на минуту, что произошло бы в мире, если бы исчезло бы движение по инерции. Планеты упали бы на Солнце, Луна свалилась бы на Землю. Движение тела могло бы осуществляться только под действием силы и сразу же прекращалось бы, после прекращения действия силы.

Вопросы для самоконтроля

1. Почему тело не может само собой остановиться и само по себе разогнаться?

2. Какое явление называется инерцией?

3. Какие эксперименты называются мысленными?

4. К каким выводам пришел Г.Галилей, после проведения экспериментов с тележками?

5. Какие системы отсчета называются инерциальными?

6. Какие системы отсчета называются неинерциальными?

7. Как объяснить падение пассажиров при резком торможении автобуса, или при резком увеличении скорости этим же автобусом?

8. Как повели бы себя Луна и Земля, если бы исчезло явление инерции?

9. Сделайте сообщение о том, как было открыто явление инерции Г.Галилеем.