Инерция

Эта статья об инерции в физике. Чтобы узнать о других значениях, см. Инерция (значения) .

Инерция — это тенденция движущихся объектов оставаться в движении, а покоящихся объектов — оставаться в покое, если только под действием силы не изменяется их скорость или направление. Это один из фундаментальных принципов классической физики , описанный Исааком Ньютоном в его первом законе движения (также известном как принцип инерции). Это одно из основных проявлений массы , одно из основных количественных свойств физических систем . Ньютон пишет:

ЗАКОН I. Каждый объект продолжает сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, за исключением случаев, когда он вынужден изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.

- Исаак Ньютон, Principia, Математические принципы естественной философии, перевод Коэна и Уитмена, 1999 г.

В своей работе 1687 года Philosophiae Naturalis Principia Mathematica Ньютон определил инерцию как свойство:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ III. vis insita , или врожденная сила материи, — это сила сопротивления, с помощью которой каждое тело, насколько бы оно ни находилось, стремится сохранять свое нынешнее состояние, будь то покой или равномерное движение вперед по прямой линии.

История и развитие

Раннее понимание инерционного движения

Профессор Джон Х. Линхард указывает, что «Моцзы », основанный на китайском тексте периода Воюющих царств (475–221 гг. до н.э.), дал первое описание инерции. До европейского Возрождения преобладающей теорией движения в западной философии была теория Аристотеля (384–322 гг. до н.э.). На поверхности Земли свойство инерции физических объектов часто маскируется гравитацией , а также эффектами трения и сопротивления воздуха , которые имеют тенденцию уменьшать скорость движущихся объектов (обычно до точки покоя). Это ввело в заблуждение философа Аристотеля, полагавшего, что объекты будут двигаться только до тех пор, пока к ним приложена сила. Аристотель сказал, что все движущиеся объекты (на Земле) в конечном итоге останавливаются, если внешняя сила (сила) не продолжает их перемещать. Аристотель объяснил продолжающееся движение снарядов после отделения от своего излучателя как (само по себе необъяснимое) действие окружающей среды, продолжающее перемещать снаряд.

Несмотря на всеобщее признание, концепция движения Аристотеля несколько раз оспаривался известными философами на протяжении почти двух тысячелетий . Например, Лукреций (вслед, предположительно, за Эпикуром ) утверждал, что «стандартным состоянием» материи является движение, а не стазис (застой). В VI веке Иоанн Филопон раскритиковал 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 каким-то свойством, сообщаемым объекту, когда он был приведен в движение. Хотя это не была современная концепция инерции, поскольку все еще существовала потребность в силе, поддерживающей тело в движении, она оказалась фундаментальным шагом в этом направлении. Против этой точки зрения решительно выступал Аверроэс и многие философы- схоласты, поддерживавшие Аристотеля. Однако эта точка зрения не осталась без внимания в исламском мире , где у Филопона было несколько сторонников, развивших его идеи.

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

Теория импульса

Основная статья: Теория импульса

См. также: Попытки

В 14 веке Жан Буридан отверг идею о том, что свойство, вызывающее движение, которое он назвал импульсом , самопроизвольно рассеивается. Позиция Буридана заключалась в том, что движущийся объект будет остановлен сопротивлением воздуха и весом тела, которое будет противодействовать его импульсу. Буридан также утверждал, что импульс увеличивается 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 лишь как модификацию основной философии Аристотеля, поддерживая многие другие странствующие взгляды, включая веру в то, что между объектом в движении и объектом в покое все еще существует фундаментальное различие. . Буридан также считал, что импульс может иметь не только линейный, но и круговой характер, заставляя объекты (например, небесные тела) двигаться по кругу. Теорию Буридана продолжили его ученик Альберт Саксонский (1316–1390) и Оксфордские калькуляторы , которые провели различные эксперименты, которые еще больше подорвали аристотелевскую модель. Их работа, в свою очередь, была разработана Николь Орем , которая впервые начала иллюстрировать законы движения с помощью графиков.

Незадолго до появления теории инерции Галилея Джамбаттиста Бенедетти модифицировал развивающуюся теорию импульса, включив в нее 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 по изогнутому пути.

Бенедетти приводит движение камня в праще как пример естественного линейного движения объектов, вынужденных двигаться по кругу.

Классическая инерция

По словам Чарльза Коулстона Гиллиспи , инерция «вошла в науку как физическое следствие геометризации Декартом пространства-материи в сочетании с неизменностью Бога». Первым физиком, полностью отошедшим от аристотелевской модели движения, был Исаак Бекман в 1614 году. Термин «инерция» впервые был введен Иоганном Кеплером в его «Кратком изложении коперниканской астрономии». (издан в трёх частях с 1617 по 1621 год); однако значение термина Кеплера (который он получил от латинского слова, означающего «праздность» или «лень») было не совсем таким, как его современная интерпретация. Кеплер определял инерцию только как сопротивление движению, опять-таки основываясь на предположении, что покой — это естественное состояние, не нуждающееся в объяснении. Лишь в более поздних работах Галилея и Ньютона покой и движение были объединены в одном принципе, и термин «инерция» стал применяться к этим понятиям в том виде, в котором он применяется сегодня.

Принцип инерции, сформулированный Аристотелем для «движений в пустоте», включает в себя то, что обычный объект имеет тенденцию сопротивляться изменению движения. Аристотелевское деление 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.

Исаак Ньютон, 1689 г.

Галилео Галилей

Галилей в своем дальнейшем развитии модели Коперника признал эти проблемы с принятой тогда природой движения и, по крайней мере частично, в результате включил повторение аристотелевского описания движения в пустоте как основной физический принцип:

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

Галилей пишет, что «устранив все внешние препятствия, тяжелое тело на сферической поверхности, концентрической Земле, будет сохраняться в том состоянии, в котором оно было; если его привести в движение к западу (например), оно будет сохраняться в это движение». Это понятие, которое историки науки называют «круговой инерцией» или «горизонтальной круговой инерцией», является предшественником ньютоновского понятия прямолинейной инерции, но отличается от него. Для Галилея движение является « горизонтальным », если оно не увлекает движущееся тело к центру Земли или от него, а для него «корабль, например, однажды получив некоторый импульс через спокойное море, будет двигаться постоянно вокруг нашего земного шара, никогда не останавливаясь». Стоит также отметить, что Галилей позже (в 1632 году) пришел к выводу, что, основываясь на этой первоначальной предпосылке инерции, невозможно отличить движущийся объект от неподвижного без какой-либо внешней ссылки, с которой можно было бы сравнивать. Это наблюдение в конечном итоге стало основой для Альберта Эйнштейна при разработке специальной теории относительности .

Понятия инерции в трудах Галилея позже были уточнены, модифицированы и систематизированы Исааком Ньютоном как первый из его законов движения (впервые опубликованный в работе Ньютона Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica в 1687 году):

Каждое тело продолжает сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не будет вынуждено изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.

Несмотря на то, что Ньютон определил это понятие в своих законах движения, на самом деле он не использовал термин «инерция». Фактически, первоначально он считал, что соответствующее явление вызвано «врожденными силами», присущими материи, которые сопротивляются любому ускорению. Учитывая эту точку зрения и заимствовав у Кеплера, Ньютон объяснил, что термин «инерция» означает «врожденную силу, которой обладает материя». объект, который сопротивляется изменениям в движении»; таким образом, Ньютон определил «инерцию» как причину явления, а не само явление. Однако первоначальные идеи Ньютона о «врожденной силе сопротивления» в конечном итоге были проблематичными по ряду причин: и поэтому большинство физиков больше не думают в этих терминах. Поскольку альтернативный механизм не был с готовностью принят, и теперь общепринято, что не существует такого, который мы можем знать, термин «инерция» стал означать просто само явление. , а не какой-либо внутренний механизм. Таким образом, в конечном итоге «инерция» в современной классической физике стала названием того же явления, которое описано первым законом движения Ньютона, и эти два понятия теперь считаются эквивалентными.

Эффект инерционной массы: если тянуть медленно, верхняя нить рвется (а). Если потянуть быстро, нижняя нить порвется (b).

относительность

относительности Альберта Эйнштейна теории Теория специальной , предложенная в его статье 1905 года под названием « Об электродинамике движущихся тел », была построена на понимании инерциальных систем отсчета, разработанных Галилеем, Гюйгенсом и Ньютоном. Хотя эта революционная теория существенно изменила значение многих ньютоновских понятий, таких как масса , энергия и расстояние , концепция инерции Эйнштейна поначалу осталась неизменной по сравнению с первоначальным значением Ньютона. Однако это привело к ограничению, свойственному 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 г.), которая предоставила теорию, включающую неинерциальные (ускоренные) системы отсчета.

В общей теории относительности понятие движения по инерции получило более широкий смысл. С учетом общей теории относительности, движение по инерции — это любое движение тела, на которое не действуют силы электрического, магнитного или другого происхождения, а происходит только под действием гравитационных масс. С физической точки зрения это именно то, что показывает правильно функционирующий трехосный акселерометр, когда он не обнаруживает какого-либо надлежащего ускорения .

Этимология

Термин инерция происходит от латинского слова iners , что означает праздный или вялый.

Вращательная инерция

Величиной, связанной с инерцией, является инерция вращения (→ момент инерции ), свойство, при котором вращающееся твердое тело сохраняет состояние равномерного вращательного движения. Его угловой момент внешний крутящий момент остается неизменным, если не приложен ; это называется сохранением углового момента. Вращательную инерцию часто рассматривают по отношению к твердому телу. Например, гироскоп использует то свойство, что он сопротивляется любому изменению оси вращения.

См. также

• Устройства накопления энергии с маховиком , которые также могут быть известны как инерционная батарея.
• Общая теория относительности
• Вертикальное и горизонтальное
• Инерциальная навигационная система
• Инерционная реакция синхронных генераторов в электрической сети
• Кинетическая энергия
• Список моментов инерции
• Принцип Маха
• Законы движения Ньютона
• Классическая механика
• Специальная теория относительности
• Теорема о параллельной оси

Дальнейшее чтение

• Баттерфилд, Х. (1957), Истоки современной науки , ISBN   0-7135-0160-X .
• Клемент, Дж (1982), «Предубеждения студентов в области вводной механики», Американский журнал физики , том 50, стр. 66–71.
• Кромби, AC (1959), Средневековая и ранняя современная наука , том. 2.
• Макклоски, М. (1983), «Интуитивная физика», Scientific American , апрель, стр. 114–123.
• Макклоски, М. и Кармазза, А. (1980), «Криволинейное движение в отсутствие внешних сил: наивные представления о движении объектов», Science vol. 210, стр. 1139–1141.
• Пфистер, Герберт; Кинг, Маркус (2015). Инерция и гравитация. Фундаментальная природа и структура пространства-времени . Том. Конспект лекций по физике. Том 897. Гейдельберг: Springer. дои : 10.1007/978-3-319-15036-9 . ISBN  978-3-319-15035-2 .
• Рагеп, Ф. Джамиль (2001a). «Туси и Коперник: движение Земли в контексте». Наука в контексте . 14 (1–2). Издательство Кембриджского университета : 145–163. дои : 10.1017/S0269889701000060 . S2CID   145372613 .
• Рагеп, Ф. Джамиль (2001b). «Освобождение астрономии от философии: аспект исламского влияния на науку» . Осирис . 2-я серия. 16 (Наука в теистическом контексте: когнитивные измерения): 49–64 и 66–71. Бибкод : 2001Осир...16...49R . дои : 10.1086/649338 . S2CID   142586786 .

Внешние ссылки

• Цитаты, связанные с инерцией , в Wikiquote
• Почему Земля вращается? (Ютуб)