Явление инерции известно человечеству с глубокой древности. Еще Аристотель заметил, что если телега останавливается, то сидящий на ней человек продолжает двигаться вперед. Однако долгое время считалось, что движение тел возможно только под действием других тел.
Первым, кто выдвинул идею о том, что тела могут двигаться и после прекращения действия на них других тел, был Галилео Галилей. Эту идею развил Исаак Ньютон, сформулировав закон инерции. Он гласит, что тело сохраняет скорость, если на него не действуют другие тела.
Свойство тел сохранять движение
Согласно закону инерции, тело, на которое не действуют другие тела, сохраняет свою скорость постоянной - это называется движением по инерции. Это свойство проявляется в том, что раз телу сообщена какая-то скорость, оно будет стремиться сохранить ее неизменной.
Например, если разогнать вагонетку в шахте и отпустить, она будет катиться по рельсам довольно долго, пока не остановит трение. Или если бросить мяч, он полетит по инерции до тех пор, пока не упадет на землю. Маховичок волчка тоже вращается по инерции после раскрутки.
В основе этого явления лежит то, что любое тело обладает инертностью - стремлением сохранять свое состояние. Это свойство зависит от массы тела. Чем больше масса, тем сильнее проявляется инертность и инерция.
| Тело | Скорость в начальный момент | Скорость через некоторое время |
| Вагонетка | 5 м/с | 3 м/с |
| Мяч | 10 м/с | 10 м/с до удара о землю |
Как видно из таблицы, вагонетка постепенно теряет скорость, а мяч - нет. Это объясняется тем, что на вагонетку действуют силы трения, а на летящий мяч - нет. Поэтому мяч движется по инерции дольше.
Объяснение реальных ситуаций
Инерция проявляется во многих повседневных ситуациях. Рассмотрим несколько примеров.
- Велосипедист наезжает на камень и падает с велосипеда. Скорость велосипедиста сохраняется из-за инерции, тогда как сам велосипед останавливается.
- Наездник слетает с лошади, если та резко останавливается. Скорость наездника не меняется, а лошадь тормозит.
- На столе лежит лист бумаги. Из-под стоящего на нем стакана резко выдергивают лист. Стакан практически не двигается благодаря инерции покоя.
Все эти ситуации можно объяснить первым законом Ньютона: тело сохраняет скорость, если на него не действуют другие тела. У велосипедиста и наездника сохраняется скорость, набранная ранее, когда они двигались вместе с транспортными средствами. А стакан как бы "сопротивляется" движению и остается на месте.
Однако в реальном мире действует трение, сопротивление воздуха и другие факторы, препятствующие движению. Поэтому полностью сохранить скорость не удается - она постепенно уменьшается. Например, пуля, вылетевшая из ружья, замедляется из-за сопротивления воздуха. Без него она летела бы с постоянной скоростью.
Формулировка закона инерции
Закон инерции впервые сформулировал Галилео Галилей. Он выдвинул гипотезу, что если тело движется по горизонтальной поверхности без сопротивления, то оно будет двигаться равномерно. Галилей также предположил, что без действия внешних сил тело будет сохранять скорость.
Позже Исаак Ньютон на основе идей Галилея сформулировал первый закон движения, названный в его честь. Согласно этому закону, тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела. Этот закон также называют "движение по инерции" или просто "закон инерции".
Проявления инерции в технике
Инерция широко используется в различных технических устройствах. Например, в маховиках, которые позволяют накапливать кинетическую энергию вращения и затем отдавать ее постепенно для выполнения механической работы. Маховики применяются в часовых механизмах, двигателях внутреннего сгорания, гироскопах и других устройствах.
- В часовых механизмах маховик обеспечивает равномерный ход часов, компенсируя неравномерность привода от пружины или электродвигателя.
- В двигателях внутреннего сгорания маховик позволяет преодолевать "мертвые точки" в работе цилиндров за счет накопленной кинетической энергии.
Еще одним примером использования инерции являются различные транспортные средства. Поезд продолжает двигаться по инерции на большие расстояния после выключения тяги. Это позволяет экономить энергию топлива.
| Устройство | Реализация инерции |
| Маховик | Накапливает энергию вращения и отдает ее постепенно |
| Поезд | Движется по инерции после выключения тяги |
Таким образом, инерция широко используется в технике для накопления энергии движения и последующей отдачи этой энергии в нужный момент.
Ограничения применимости закона
Закон инерции справедлив лишь в идеализированных условиях, когда на тело не действуют никакие внешние силы. В реальности таких условий практически не бывает. Движение тел всегда замедляется из-за сил трения, сопротивления воздуха и других факторов.
Например, пуля, вылетевшая из ружья, не будет двигаться по инерции бесконечно долго. Скорость пули постепенно уменьшается под действием силы сопротивления воздуха. То же происходит с велосипедистом, который перестал крутить педали - из-за трения колес о дорогу его скорость снижается.
Кроме того, закон инерции справедлив только в инерциальных системах отсчета. Это такие системы, в которых тела движутся равномерно и прямолинейно или покоятся, если на них не действуют другие тела. Например, система отсчета, связанная с Землей, считается инерциальной.
Однако в неинерциальных системах отсчета закон инерции не выполняется. К неинерциальным относятся системы, движущиеся с ускорением относительно инерциальных систем. Например, система отсчета, связанная с ускоряющимся автомобилем. В таких системах тела могут двигаться с ускорением даже без действия внешних сил.
Таким образом, применимость закона инерции ограничена идеализированными условиями отсутствия внешних воздействий на тело. Кроме того, он справедлив только в инерциальных системах отсчета. Несмотря на эти ограничения, закон инерции имеет фундаментальное значение в физике и позволяет объяснить многие реальные явления.
