Инерция - Inertia

Часть серии о
Классическая механика
${\ displaystyle {\ textbf {F}} = {\ frac {d} {dt}} (m {\ textbf {v}})}$ Второй закон движения
История Лента новостей Учебники
ветви
Основы
Составы
Основные темы
Вращение
Ученые
Физический портал  Категория
v т е

Инерция - это сопротивление любого физического объекта любому изменению его скорости . Сюда входят изменения скорости или направления движения объекта. Аспектом этого свойства является тенденция объектов продолжать движение по прямой с постоянной скоростью, когда на них не действуют никакие силы .

Инерция происходит от латинского слова iners , что означает праздный, вялый. Инерция - одно из основных проявлений массы , которая является количественным свойством физических систем . Исаак Ньютон определил инерцию как силу еще до своего первого закона в монументальной философии Naturalis Principia Mathematica . Там читаем:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ III. Отношению ИНСИТА или врожденная сила материи, является сила сопротивления , по которому каждое тело, так же , как в ней лежит, стремится пребывать в своем нынешнем состоянии, будь то покоя или движется равномерно вперед в правой линии.

После некоторых других определений Ньютон излагает (на стр. 83) свой первый закон движения:

ЗАКОН I. Каждое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного движения по прямой линии, если только оно не вынуждено изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.

Обратите внимание, что Ньютон использует активную глагольную форму «проявлять стойкость», а не другие пассивные формы, такие как «продолжать» или «оставаться», обычно встречающиеся в современных учебниках. Это следует из некоторых изменений в первоначальной механике Ньютона (как указано в Принципах), сделанных Эйлером, Даламбером и другими картезианцами.

В обычном использовании термин «инерция» может относиться к «величине сопротивления объекта изменению скорости» или, проще говоря, «сопротивлению изменению в движении» (которое количественно измеряется его массой), а иногда и его импульсу. , в зависимости от контекста. Термин «инерция» более правильно понимать как сокращение для «принципа инерции», описанного Ньютоном в его первом законе движения , изложенном выше, согласно которому объект будет продолжать двигаться с его текущей скоростью до тех пор, пока некоторая сила не вызовет его скорость. или направление, чтобы изменить.

На поверхности Земли инерция часто маскируется гравитацией и эффектами трения и сопротивления воздуха , которые снижают скорость движущихся объектов (обычно до точки покоя). Это заставило философа Аристотеля поверить в то, что объекты будут двигаться только до тех пор, пока к ним будет приложена сила.

Принцип инерции - один из фундаментальных принципов классической физики, который до сих пор используется для описания движения объектов и того, как на них действуют силы, действующие на них.

История и развитие концепции

Раннее понимание движения

Mozi , древний философский текст из Китая периода Сражающихся царств , был первым, кто описал идею инерции, о которой сообщил китаевед Джозеф Нидхэм . На западе до эпохи Возрождения наиболее общепринятая теория движения в западной философии была основана на Аристотеле, который примерно в 335–322 годах до нашей эры сказал, что в отсутствие внешней движущей силы все объекты (на Земле) придут в движение. покой, и что движущиеся объекты продолжают двигаться только до тех пор, пока есть сила, побуждающая их к этому. Аристотель объяснил непрерывное движение снарядов, которые отделены от их проектора, действием окружающей среды, которая продолжает каким-то образом перемещать снаряд. Аристотель пришел к выводу, что такое резкое движение в пустоте невозможно.

Несмотря на всеобщее признание, концепция движения Аристотеля несколько раз оспаривалась известными философами на протяжении почти двух тысячелетий . Например, Лукреций (предположительно вслед за Эпикуром ) утверждал, что «стандартным состоянием» материи было движение, а не застой. В VI веке Иоанн Филопон подверг критике несоответствие между рассуждениями Аристотеля о снарядах, где среда поддерживает движение снарядов, и его обсуждением пустоты, где среда будет препятствовать движению тела. Филопон предположил, что движение поддерживается не действием окружающей среды, а некоторым свойством, сообщаемым объекту, когда он приводится в движение. Хотя это не было современной концепцией инерции, поскольку все еще существовала потребность в силе, чтобы удерживать тело в движении, это оказалось фундаментальным шагом в этом направлении. Этой точке зрения категорически противостоял Аверроэс и многие философы- схоласты , поддерживавшие Аристотеля. Однако эта точка зрения не осталась незамеченной в исламском мире , где у Филопона действительно было несколько сторонников, которые развили его идеи.

В 11 веке персидский эрудит Ибн Сина (Авиценна) утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать.

Теория импульса

В 14 веке Жан Буридан отверг представление о том, что свойство генерирования движения, которое он назвал импульсом , рассеивается самопроизвольно. Позиция Буридана заключалась в том, что движущийся объект будет остановлен сопротивлением воздуха и весом тела, которые будут противодействовать его толчку. Буридан также утверждал, что импульс возрастает со скоростью; таким образом, его первоначальная идея импульса во многом была похожа на современную концепцию импульса. Несмотря на очевидное сходство с более современными идеями инерции, Буридан рассматривал свою теорию только как модификацию основной философии Аристотеля, поддерживая многие другие перипатетические взгляды, включая веру в то, что все еще существует фундаментальная разница между объектом в движении и объектом в состоянии покоя. . Буридан также считал, что импульс может быть не только линейным, но и круговым по своей природе, заставляя объекты (например, небесные тела) двигаться по кругу.

Мысль Буридана была продолжена его учеником Альбертом Саксонским (1316–1390) и оксфордскими калькуляторами , которые выполнили различные эксперименты, которые еще больше подорвали классический, аристотелевский взгляд. Их работа, в свою очередь, была разработана Николь Орем, которая впервые применила практику демонстрации законов движения в виде графиков.

Незадолго до теории инерции Галилея Джамбаттиста Бенедетти модифицировал растущую теорию импульса, включив только линейное движение:

«… [Любая] часть телесной материи, которая движется сама по себе, когда на нее воздействует какая-либо внешняя движущая сила, имеет естественную тенденцию двигаться по прямолинейному, а не изогнутому пути».

Бенедетти приводит движение камня в праще как пример присущего линейному движению объектов, вынужденных совершать круговое движение.

Классическая инерция

По словам историка науки Чарльза Колстона Гиллиспи , инерция «вошла в науку как физическое следствие геометризации пространства-материи Декартом в сочетании с неизменностью Бога».

Галилео Галилей

Принцип инерции, который возник у Аристотеля для «движений в пустоте», утверждает, что объект имеет тенденцию сопротивляться изменению движения. Согласно Ньютону, объект будет оставаться в покое или оставаться в движении (то есть поддерживать свою скорость), если на него не действует чистая внешняя сила, будь то сила тяжести , трения , контакта или какой-либо другой силы. Аристотелевское разделение движения на земное и небесное становилось все более проблематичным перед лицом выводов Николая Коперника в 16 веке, который утверждал, что Земля никогда не находится в состоянии покоя, а фактически находится в постоянном движении вокруг Солнца. Галилей в своем дальнейшем развитии модели Коперника признал эти проблемы с принятой тогда природой движения и, по крайней мере частично, в результате включил повторное изложение аристотелевского описания движения в пустоте как основного физического принципа:

Тело, движущееся по ровной поверхности, будет продолжать движение в том же направлении с постоянной скоростью, если его не потревожить.

Галилей пишет, что «при удалении всех внешних препятствий тяжелое тело на сферической поверхности, концентричной с землей, будет поддерживать себя в том состоянии, в котором оно было; если оно будет перемещено на запад (например), оно будет поддерживать себя в этом состоянии. движение." Это понятие, которое историки науки называют «круговой инерцией» или «горизонтальной круговой инерцией», является предшественником, но отличным от ньютоновского понятия прямолинейной инерции. Для Галилея движение является « горизонтальным », если оно не уносит движущееся тело к центру земли или от него, и для него «корабль, например, однажды получив некоторый толчок через безмятежное море, будет двигаться. постоянно вращается вокруг нашего земного шара, не останавливаясь ".

Также стоит отметить, что позже Галилей (в 1632 году) пришел к выводу, что, основываясь на этой исходной посылке инерции, невозможно отличить движущийся объект от неподвижного без какой-либо внешней ссылки для сравнения. Это наблюдение в конечном итоге стало основой для Альберта Эйнштейна, который разработал специальную теорию относительности .

Первым физиком, полностью отказавшимся от аристотелевской модели движения, был Исаак Бекман в 1614 году.

Понятия инерции в трудах Галилея позже будут уточнены, модифицированы и систематизированы Исааком Ньютоном в качестве первого из его законов движения (впервые опубликованных в работе Ньютона Philosophiae Naturalis Principia Mathematica в 1687 году):

Каждое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного движения по прямой линии, если только оно не вынуждено изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.

С момента первоначальной публикации законы движения Ньютона (и, следовательно, этот первый закон) стали основой для раздела физики, известного как классическая механика .

Термин «инерция» был впервые введен Иоганном Кеплером в его « Эпитоме астрономии Коперникана» (опубликовано в трех частях с 1617 по 1621 год); однако значение термина Кеплера (который он получил от латинского слова «праздность» или «лень») не совсем то же самое, что его современная интерпретация. Кеплер определял инерцию только как сопротивление движению, опять же, исходя из предположения, что покой является естественным состоянием, не нуждающимся в объяснении. Только в более поздних работах Галилея и Ньютона, объединивших покой и движение в одном принципе, термин «инерция» мог быть применен к этим концепциям, как это происходит сегодня.

Тем не менее, несмотря на столь элегантное определение концепции в своих законах движения, даже Ньютон на самом деле не использовал термин «инерция» для обозначения своего Первого закона. Фактически, Ньютон первоначально рассматривал явление, которое он описал в своем Первом законе движения, как вызываемое «врожденными силами», присущими материи, которая сопротивляется любому ускорению. Принимая во внимание эту точку зрения и заимствуя слова Кеплера, Ньютон приписывал термин «инерция» значению «врожденной силы, которой обладает объект, который сопротивляется изменениям в движении»; таким образом, Ньютон определил «инерцию» как причину явления, а не как само явление. Однако первоначальные идеи Ньютона о «врожденной силе сопротивления» были в конечном итоге проблематичными по ряду причин, и поэтому большинство физиков больше не думают в этих терминах. Поскольку альтернативный механизм не был легко принят, а сейчас общепринято, что может не быть такого, который мы можем знать, термин «инерция» стал означать просто само явление, а не какой-либо внутренний механизм. Таким образом, в конце концов, «инерция» в современной классической физике стала названием одного и того же явления, описываемого Первым законом движения Ньютона, и теперь эти две концепции считаются эквивалентными.

Относительность

Альберт Эйнштейн теория «s из специальной теории относительности , как это было предложено в своей работе 1905 г. под названием„ К электродинамике движущихся тел “ , был построен на понимании инерциальных систем отсчета , разработанных Галилея и Ньютона. Хотя эта революционная теория существенно изменила значение многих ньютоновских понятий, таких как масса , энергия и расстояние , концепция инерции Эйнштейна осталась неизменной по сравнению с первоначальным значением Ньютона. Однако это привело к ограничению, присущему специальной теории относительности: принцип относительности мог применяться только к инерциальным системам отсчета. Чтобы устранить это ограничение, Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности («Основы общей теории относительности», 1916), которая предоставила теорию, включающую неинерциальные (ускоренные) системы отсчета.

Инерция вращения

инерция вращения

Величина, связанная с инерцией, - это инерция вращения (→ момент инерции ), свойство, при котором вращающееся твердое тело поддерживает состояние равномерного вращательного движения. Его угловой момент остается неизменным, если не приложен внешний крутящий момент ; это также называется сохранением углового момента. Инерцию вращения часто рассматривают применительно к твердому телу. Например, гироскоп использует свойство сопротивляться любому изменению оси вращения.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

• Почему вращается Земля? (YouTube)