Инерция

Все знают, что в нашем мире существует множество тел, которые постоянно перемещаются. Эти движения бывают самыми разными: прямолинейными и криволинейными, равномерными и неравномерными.

Но самое «любимое» состояние окружающих нас тел — это состояние покоя. Тела могут находиться в покое очень долгое время, пока что-то или кто-то не нарушит их спокойствие.

Попробуем провести простой опыт. Положим на стол стальной шарик. Он находится в покое относительно стола. Как заставить его двигаться?

Конечно, шарик можно слегка толкнуть рукой. А можно поднести к нему магнит. Но в обоих случаях на шарик будут влиять другие объекты (рука или магнит), что и является причиной изменения скорости движения шарика.

Но почему шарик со временем останавливается?

Попробуем провести ещё один опыт. Предположим, у нас есть наклонный жёлоб, металлический шарик и стол. Покроем стол тканью и запустим шарик по жёлобу. Затем отметим, насколько далеко он прокатился. Повторим опыт дважды, заменяя ткань на картон и стекло.

Легко заметить, что по стеклу шарик прокатился значительно дальше, ведь сила трения на нём была минимальной. Следовательно, причинами остановки шарика являются трение между поверхностью шарика и стола, а также сопротивление воздуха.

А что произошло бы, если бы мы могли устранить эти факторы? Конечно, шарик продолжал бы двигаться с постоянной скоростью бесконечно долго. Отсюда делаем вывод, что движение тела без воздействия других тел, как и покой, является его естественным состоянием.

Легко понять, что тело остаётся в покое, если на него не оказывают никакого воздействия. Но как тело может самостоятельно двигаться, если в повседневной жизни мы видим, что оно начинает двигаться только после того, как на него повлияют другие тела?

Наши знания о мире подсказывают, что изменение скорости тела (как по величине, так и по направлению) не происходит спонтанно. Это возможно только тогда, когда на тело воздействуют другие тела. Например, когда мы играем с мячом, ударяя по нему рукой или ногой, мы меняем его скорость и, чаще всего, ещё и направление движения. Если на велосипеде начать крутить педали быстрее, то увеличится скорость езды. А если нажать на тормоз в автомобиле, он начнёт замедляться.

Однако не всегда наши наблюдения помогают понять настоящие причины некоторых сложных явлений. Например, когда мы смотрим фильмы, где лошадь тянет повозку, или вспоминаем, как прыгает кролик, мы интуитивно связываем движение с внешним воздействием, будь то толчок или тяга.

Кроме того, может показаться, что скорость объекта напрямую связана с силой внешнего воздействия. Допустим, у нас есть автомобиль и летающий над ним дрон. Будем считать, что оба движутся с постоянной скоростью. Что произойдёт, если мы отключим их двигатели? Конечно, дрон упадёт на землю. А автомобиль постепенно остановится. Значит ли это, что для поддержания постоянного движения необходимы включённые двигатели, создающие нужную тягу?

Именно так считал древнегреческий философ Аристотель. Он полагал, что покой — это естественное состояние объекта, а движение — результат внешнего воздействия (то есть насильственное).

Если прекратить поддерживать движение, оно прекратится. Примером служил случай с лошадью и телегой: пока лошадь тянула телегу, та двигалась. Но стоило лошади остановиться, как телега тоже останавливалась. Авторитет Аристотеля в науке был так высок, что это его утверждение являлось непререкаемым на протяжении более двух тысяч лет.

Лишь в первой половине XVII века известный итальянский учёный Галилео Галилей сумел опровергнуть эти представления о движении. Он применил метод, ставший в физике основным методом исследования: изучая явления природы, следует проверять каждую догадку, предположение, идею на опыте.

Чтобы лучше понять природу движения, Галилей провёл мысленный эксперимент. Можно сказать, что он создал модель этого явления. Представим, что у нас есть совершенно гладкая наклонная плоскость, по которой тело скользит без трения.

Когда тело поднимается вверх по этой плоскости, оно замедляется. Когда оно спускается вниз, оно ускоряется. Галилей задумался: а как будет вести себя тело на горизонтальной поверхности? В итоге он пришёл к выводу, что если ничто не помешает телу, оно будет продолжать двигаться равномерно, сохраняя постоянную скорость и направление.

Таким образом, движение тела без внешнего воздействия, как и покой, является его естественным состоянием. Такое движение называют движением по инерции.

Инерция — это явление, при котором тело сохраняет свою скорость неизменной, пока на него не окажут воздействие другие тела или их воздействие будет скомпенсировано.

Это явление не является само собой разумеющимся. Понадобился гений Галилея, а позднее и Ньютона, чтобы его осознать. Лишь им удалось полностью развенчать одно из величайших заблуждений человечества касательно законов движения.

Безусловно, в земных условиях на любое тело всегда воздействуют другие тела. Однако астрономические наблюдения за космическими аппаратами, исследующими далёкие планеты и покидающими Солнечную систему, подтверждают, что для движения по инерции никакие силы не требуются.

Анализ множества экспериментов и умозаключений позволил Галилею сформулировать закон инерции: тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не воздействуют другие тела или их действия компенсируют друг друга.

Этот закон отражает главную идею механики: действовать на тело необходимо не для того, чтобы сохранить его скорость постоянной, а чтобы изменить её как по модулю, так и по направлению.

Мы ежедневно сталкиваемся с инерцией. Однако мы настолько к ней привыкли, что порой её просто не замечаем. Например, при резком торможении автобуса пассажиры продолжают двигаться вперёд по инерции и наклоняются. Когда же автобус неожиданно трогается, пассажиры по инерции остаются на месте и немного отклоняются назад. И если в общественном транспорте не держаться за поручни, то можно потерять равновесие и упасть при резких поворотах, торможениях или ускорениях. Это может привести к травмам, как вашим собственным, так и окружающих пассажиров. Поэтому важно соблюдать правила безопасности и всегда держаться за поручни во время поездки.

А может ли автомобиль остановиться мгновенно? Естественно нет. Даже самые сильные тормоза не способны преодолеть инерцию. Именно поэтому тормозной путь машины тем длиннее, чем выше её скорость движения.

Даже если человек бежит быстро, он не может остановиться мгновенно. По инерции он сделает ещё несколько шагов.

Надеемся, что, помня об инерции, вы не будете перебегать улицу перед движущимся транспортом. Соблюдайте это правило сами, а также научите ему своих младших братьев и сестёр.

Однако инерция может приносить не только неудобства, но и пользу. Например, в водяных и паровых турбинах, а также в ветряных двигателях используется инерция движения воды, пара, ветра. Инерция полезна и в повседневной жизни: от выбивания пыли из ковра до крепления насадок на ручки молотков и топоров.

Повседневный опыт показывает, что, если на катящийся мяч не оказывать никаких воздействий, он рано или поздно остановится. Если велосипедист перестаёт крутить педали, скорость велосипеда начнёт уменьшаться, и через некоторое время он остановится. Может показаться, что это противоречит закону инерции. Однако противоречия здесь нет. Дело в том, что, как мы уже отмечали ранее, на движущееся тело оказывают различные сопротивления, такие как трение о поверхность и сопротивление воздуха. Без этих факторов тела двигались бы по инерции, то есть равномерно и прямолинейно.

При взаимодействии тел скорость может меняться как по величине, так и по направлению. Например, во время игры в теннис мяч изменяет траекторию полёта после удара по нему ракеткой.

Таким образом, скорость тела может изменяться как по значению, так и по направлению вследствие воздействия на него другого тела.

А теперь посмотрите на эти два кубика.

Как видите, они имеют одинаковую форму и объём, то есть выглядят одинаково. Но, вероятно, сделаны из разных металлов. Но есть ли между ними ещё какая-то разница?

Чтобы ответить на этот вопрос, проведём небольшой опыт. Поставим кубики на одинаковые тележки и придадим им одинаковое ускорение. Можно заметить, что тележки с кубиками разгоняются по-разному.

Это говорит о том, что кубики, которые находятся на тележках, обладают различными свойствами.

Свойство тела сопротивляться изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью.

Тело, которое легко приходит в движение и быстро меняет свою скорость, обладает малой инертностью (его также называют менее инертным). Напротив, тело, которое сложно сдвинуть с места, характеризуется высоким показателем инертности (оно считается более инертным).

Инертность тела проявляется всякий раз, когда мы пытаемся изменить его скорость.