Инерция в физике: определение, принцип действия и связь с массой. Первый закон Ньютона и исторические корни явления, включая упоминания в древнекитайских текстах.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Основной принцип классической физики – инерция в физике.
Fundamental principle of classical physicsinertia in physics
Инерция – это свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на них не действует сила, способная изменить их скорость или направление. Это один из фундаментальных принципов классической физики, описанный Исааком Ньютоном в его первом законе движения (также известном как принцип инерции). Инерция является одним из основных проявлений массы, одной из ключевых количественных характеристик физических систем. Ньютон писал:
Inertia is the tendency of objects in motion to stay in motion and objects at rest to stay at rest, unless a force causes its speed or direction to change. It is one of the fundamental principles in classical physics, and described by Isaac Newton in his first law of motion (also known as The Principle of Inertia). It is one of the primary manifestations of mass, one of the core quantitative properties of physical systems. Newton writes:
В своей работе 1687 года «Математические начала натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) Ньютон определил инерцию как свойство:
In his 1687 work Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, Newton defined inertia as a property:
Раннее понимание инерционного движения
Профессор Джон Х. Лиенхард указывает на Мо-цзы, основываясь на китайском тексте периода Сражающихся царств (475–221 гг. до н.э.), как на первое описание инерции. До эпохи Возрождения господствующей теорией движения в западной философии была теория Аристотеля (384–322 гг. до н.э.). На поверхности Земли свойство инерции физических объектов часто маскируется гравитацией и эффектами трения и сопротивления воздуха, которые оба имеют тенденцию уменьшать скорость движущихся объектов (обычно до полной остановки). Это привело философа Аристотеля к убеждению, что объекты движутся только до тех пор, пока к ним прикладывается сила. Аристотель утверждал, что все движущиеся объекты (на Земле) в конечном итоге приходят в покой, если внешняя сила (сила) не продолжает их двигать. Аристотель объяснял продолжение движения снарядов, после отделения от метательного устройства, как действие окружающей среды, продолжающей двигать снаряд (действие, которое само по себе оставалось необъясненным). Несмотря на широкое признание, концепция движения Аристотеля неоднократно подвергалась критике выдающимися философами на протяжении почти двух тысячелетий. Например, Лукреций (вероятно, следуя Эпикуру) утверждал, что естественным состоянием материи является движение, а не неподвижность (застой). В VI веке Иоанн Филопон подверг критике противоречие между рассуждениями Аристотеля о снарядах, где среда поддерживает их движение, и его рассуждениями о пустоте, где среда препятствовала бы движению тела. Филопон предположил, что движение поддерживается не действием окружающей среды, а некоторым свойством, сообщаемым объекту при его запуске. Хотя это не было современным понятием инерции, поскольку для поддержания движения тела все еще требовалась сила, это был фундаментальный шаг в этом направлении. Этому мнению решительно возражали Аверроэс и многие схоластические философы, поддерживавшие Аристотеля. Однако эта точка зрения не осталась без внимания в исламском мире, где у Филопона было несколько сторонников, которые развивали его идеи. В XI веке персидский ученый Ибн Сина (Авиценна) утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не будет воздействовать никакая сила.
Professor John H. Lienhard points out the Mozi – based on a Chinese text from the Warring States period (475–221 BCE) – as having given the first description of inertia. Before the European Renaissance, the prevailing theory of motion in western philosophy was that of Aristotle (384–322 BCE). On the surface of the Earth, the inertia property of physical objects is often masked by gravity and the effects of friction and air resistance, both of which tend to decrease the speed of moving objects (commonly to the point of rest). This misled the philosopher Aristotle to believe that objects would move only as long as force was applied to them. Aristotle said that all moving objects (on Earth) eventually come to rest unless an external power (force) continued to move them. Aristotle explained the continued motion of projectiles, after being separated from their projector, as an (itself unexplained) action of the surrounding medium continuing to move the projectile. Despite its general acceptance, Aristotle's concept of motion was disputed on several occasions by notable philosophers over nearly two millennia. For example, Lucretius (following, presumably, Epicurus) stated that the "default state" of the matter was motion, not stasis (stagnation). In the 6th century, John Philoponus criticized the inconsistency between Aristotle's discussion of projectiles, where the medium keeps projectiles going, and his discussion of the void, where the medium would hinder a body's motion. Philoponus proposed that motion was not maintained by the action of a surrounding medium, but by some property imparted to the object when it was set in motion. Although this was not the modern concept of inertia, for there was still the need for a power to keep a body in motion, it proved a fundamental step in that direction. This view was strongly opposed by Averroes and by many scholastic philosophers who supported Aristotle. However, this view did not go unchallenged in the Islamic world, where Philoponus had several supporters who further developed his ideas. In the 11th century, Persian polymath Ibn Sina (Avicenna) claimed that a projectile in a vacuum would not stop unless acted upon.
Относительность
Теория специальной относительности Альберта Эйнштейна, представленная в его работе 1905 года под названием «К электродинамике движущихся тел», была основана на понимании инерциальных систем отсчета, разработанном Галилеем, Гюйгенсом и Ньютоном. Хотя эта революционная теория существенно изменила смысл многих ньютоновских понятий, таких как масса, энергия и расстояние, первоначальное понимание инерции Эйнштейна оставалось неизменным по сравнению с исходным определением Ньютона. Однако это привело к внутреннему ограничению специальной теории относительности: принцип относительности мог применяться только к инерциальным системам отсчета. Чтобы преодолеть это ограничение, Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности («Основы общей теории относительности», 1916), которая предложила теорию, включающую неинерциальные (ускоренные) системы отсчета. В общей теории относительности понятие инерционного движения получило более широкое значение. Принимая во внимание общую теорию относительности, инерционное движение – это любое движение тела, не подверженное воздействию электрических, магнитных или иных сил, а находящееся исключительно под влиянием гравитационных масс. С физической точки зрения, именно это показывает правильно работающий трехосевой акселерометр, когда он не фиксирует никакого собственного ускорения.
Albert Einstein's theory of special relativity, as proposed in his 1905 paper entitled "On the Electrodynamics of Moving Bodies", was built on the understanding of inertial reference frames developed by Galileo, Huygens and Newton. While this revolutionary theory did significantly change the meaning of many Newtonian concepts such as mass, energy, and distance, Einstein's concept of inertia remained at first unchanged from Newton's original meaning. However, this resulted in a limitation inherent in special relativity: the principle of relativity could only apply to inertial reference frames. To address this limitation, Einstein developed his general theory of relativity ("The Foundation of the General Theory of Relativity", 1916), which provided a theory including noninertial (accelerated) reference frames. In general relativity, the concept of inertial motion got a broader meaning. Taking into account general relativity, inertial motion is any movement of a body that is not affected by forces of electrical, magnetic, or other origin, but that is only under the influence of gravitational masses. Physically speaking, this happens to be exactly what a properly functioning three axis accelerometer is indicating when it does not detect any proper acceleration.
Этимология
Термин "инерция" происходит от латинского слова iners, означающего "бездеятельный" или "вялый".
The term inertia comes from the Latin word iners, meaning idle or sluggish.
Инерция вращения
Величина, связанная с инерцией, – это момент инерции (→ момент инерции), свойство, благодаря которому вращающееся твердое тело сохраняет состояние равномерного вращательного движения. Его угловой момент остается постоянным, если на него не действует внешний крутящий момент; это называется законом сохранения углового момента. Момент инерции часто рассматривается применительно к твердым телам. Например, гироскоп использует свойство сопротивления изменению оси вращения.
A quantity related to inertia is rotational inertia (→ moment of inertia), the property that a rotating rigid body maintains its state of uniform rotational motion. Its angular momentum remains unchanged unless an external torque is applied; this is called conservation of angular momentum. Rotational inertia is often considered in relation to a rigid body. For example, a gyroscope uses the property that it resists any change in the axis of rotation.