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慣性

(物理學名詞)

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物體保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質,稱為慣性。慣性是物體的一種固有屬性,表現為物體對其運動狀態變化的一種阻抗程度,質量是對物體慣性大小的量度 [1]  。當作用在物體上的外力為零時,慣性表現為物體保持其運動狀態不變,即保持靜止或勻速直線運動;當作用在物體上的外力不為零時,慣性表現為外力改變物體運動狀態的難易程度。在外力作用下,相同加速度的物體質量越大慣性越大。所以物體的慣性,在任何時候(受外力作用或不受外力作用),任何情況下(靜止或運動),都不會改變,更不會消失。慣性是物質自身的一種屬性。
中文名
慣性
外文名
inertia
範    圍
一切物體(光除外)
狀    態
保持物體原來的運動狀態
應用學科
物理學
發現人
艾薩克.牛頓
見載刊物
《物理學名詞(第二版)》 科學出版社
公佈時間
1996年 [10] 

慣性基本信息

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在物理學裏,慣性(inertia)是物體抵抗其運動狀態被改變的性質。物體的慣性可以用其質量來衡量,質量越大,慣性也越大。艾薩克·牛頓在鉅著《自然哲學的數學原理》裏定義慣性為:
慣性,是物質固有的屬性,是一種抵抗的現象,它存在於每一物體當中,大小與該物體的質量成正比,並儘量使其保持現有的狀態,不論是靜止狀態,或是勻速直線運動狀態
更具體而言,牛頓第一定律表明,存在某些參考系,在其中,不受外力的物體都保持靜止或勻速直線運動。也就是説,從某些參考系觀察,假若施加於物體的合外力為零,則物體運動速度的大小與方向恆定。慣性定義為,牛頓第一定律中的物體具有保持原來運動狀態的性質。滿足牛頓第一定律的參考系,稱為慣性參考系。稍後會有關於慣性參考系的更詳細論述。
慣性原理經典力學的基礎原理。很多學者認為慣性原理就是牛頓第一定律。遵守這原理,物體會持續地以現有速度移動,除非有外力迫使改變其速度。
在地球表面,慣性時常會被摩擦力空氣阻力等等效應掩蔽,從而促使物體的移動速度變得越來越慢(通常最後會變成靜止狀態)。這現象誤導了許多古代學者,例如,亞里士多德認為,在宇宙裏,所有物體都有其“自然位置”——處於完美狀態的位置,物體會固定不動於其自然位置,只有當外力施加時,物體才會移動。

慣性定義

慣性是一切物體的固有屬性,無論是固體、液體或氣體,無論物體是運動還是靜止,都具有慣性。一切物體都具有慣性。
慣性定義:我們把物體保持運動狀態不變的屬性叫做慣性。慣性代表了物體運動狀態改變的難易程度。慣性的大小隻與物體的質量有關。質量大的物體運動狀態相對難於改變,也就是慣性大;質量小的物體運動狀態相對容易改變,也就是慣性小。
當你踢到球時,球就開始運動,這時,因為這個球自身具有慣性,它將不停的滾動,直到被外力所制止。 任何物體在任何時候都是有慣性的,它要保持原有的運動狀態。 [2] 

慣性注意

1、慣性不等同於慣性定律。慣性是物體本身的性質,而慣性定律講的是運動和力的關係(力不是維持物體運動的原因,力是改變物體運動狀態的原因)。
2、慣性是物體固有的一種屬性,不能説“受到慣性的作用”“獲得慣性”。正確的是“具有慣性”。 [3] 

慣性歷史

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早期學説
文藝復興之前,在西方哲學裏最被廣泛接受的運動理論是建立於大約公元前335年至公元前322年的亞里士多德的學説。亞里士多德表明,假設沒有“暴力”(violent force)施加,所有(在地球上的)物體最終都會停止運動,靜止於其自然位置,但只要有暴力促使物體運動,物體會持續其運動狀態。當拋物體被拋擲出去時,拋擲者的暴力轉移到拋物體周圍的空氣,使這些空氣流動,成為新的推動者,繼續不停地促使拋物體移動。
在之後大約兩千年內,亞里士多德的運動概念廣泛地被接受,只有幾位著名哲學家對這概念提出質疑。例如,在第6世紀,約翰·斐勞波諾斯嚴厲批評亞里士多德關於物體運動的不一致理論:亞里士多德認為真空不可能存在,因為,在真空裏,沒有任何介質促使物體移動,但是,他又表示,介質的阻力與其密度成正比:假設空氣的密度是水的一半,則物體通過同樣路徑所用掉的時間,在空氣中是在水中的一半,那麼,物體通過真空所用掉得時間應該更少。
斐勞波諾斯主張,介質只能阻礙拋物體的運動,不能促使拋物體移動;在真空裏,沒有任何介質,拋物體反而比較容易移動。斐勞波諾斯建議,促成拋物體持續運動的因素與周圍介質無關,而是在運動剛開始時,加諸於拋物體的某種性質,這性質逐漸在運動時消耗殆盡。雖然這建議與當今慣性概念仍有所差異,至少它已朝着正確方向跨出基要的腳步。
但是,在那時期與之後很多年,他的想法沒有得到重視,很多亞里士多德派學者都給予強烈反對,包括湯瑪斯·阿奎那(約1225年—1274年)和艾爾伯圖斯·麥格努斯(約1200年—1280年)在內。只有奧卡姆的威廉(約1288年—1348年)反對亞里士多德物理學。他質疑亞里士多德所提到的運動的“推動者”到底在哪裏?雖然他否定亞里士多德公理的正確性,認為拋物體的運動不需要隨時隨地都有推動者伴隨。但是,他也沒能給出任何替代答案。
人物
1、讓·布里丹
在第14世紀,法國哲學家讓·布里丹提出衝力説。他稱呼促使物體運動的性質為衝力,這衝力是由推動者傳送給物體,促使物體運動。他否定了衝力會自己消耗殆盡的想法。布里丹認為永存不朽的衝力是被空氣阻力或磨擦力等等逐漸抵銷,只要衝力大於阻力或磨擦力等等,物體就會繼續移動。布里丹的衝力與物體密度和體積成正比;速度越大,衝力也越大;物體內部的物質越多,就能夠接受越多的衝力。
儘管與慣性的現代概念很相似,布里丹只把自己的理論視為亞里士多德基本哲學的微小修正,堅持許多其他亞里士多德派的觀念,例如,他認為運動狀態與靜止狀態是兩種不同的狀態。布里丹又主張,衝力不但適用於直線運動,也適用於圓周運動,促使物體(例如,星體)呈圓周運動。
薩克森的阿爾伯特是布里丹的學生。他將布里丹的學説廣傳至意大利與中歐。在牛津大學墨頓學院的思想家赫特斯柏立的威廉最先表述出平均速率定理:在同樣時間間隔內,假若等速度物體的速度是等加速度物體的最初速度和最終速度的總和的一半,則此二物體移動的距離相等。這定理是自由落體定律的基礎。早在伽利略·伽利雷之前,他們就已做實驗證實了這定理。
2、尼克爾·奧里斯姆
尼克爾·奧里斯姆又將他們的研究結果加以發揮,他創立了用曲線圖來解釋運動定律的方法,並且用幾何方法證明平均速度定理。奧里斯姆於1377年發表的著作《天地通論》提出,當自由落體在加速時,其重量並沒有增加,而是衝力增加。假設,挖掘一條直線隧道,從地球表面的A點,穿過地心,挖掘到地球表面的B點,然後將一個重物落入這隧道,則它會從A點,經過地心,移動到B點,就好像單擺從一邊搖擺到另外一邊。但是,從地心到B點的路途中,它是呈升起狀態,而重量只能造成物體掉落,因此衝力與重量不同。
3、尼古拉·哥白尼
尼古拉·哥白尼於1543年發表著作《天體運行論》,主張地球(與處於其表面的所有物體)從未停止不動,而是持續地繞着太陽做公轉。面對這嶄新的理論,亞里士多德式的地心説——地球是宇宙的中心,因此絕對地固定不動——顯得漏洞百出、難以招架。在發表著作之前,哥白尼為了證實自己的理論,早已於1530年就完成了觀測行星軌道運動的實驗。
4、開普勒
德國天文學者開普勒,在從1618年至1621年分三階段發表的著作《哥白尼天文學概要》裏,最先提出術語“慣性”,拉丁語為“懶惰”的意思,與當今的詮釋不太一樣。開普勒以對於運動變化的抗拒來定義慣性,這仍舊是根據亞里斯多德的靜止狀態為自然狀態的前提。一直要等到後來伽利略的研究與牛頓將靜止與運動統一於同一原理,術語慣性才能應用於當今其所賦有的概念。
5、伽利略
慣性原理伽利略在1632年出版的《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》書中發表的,它是作為捍衞日心説的基本論點而提出來的。
根據亞里士多德的物理學,保持物體以勻速運動的是力的持久作用。但是伽利略的實驗結果證明物體在引力的持久影響下並不以勻速運動,而是相反地每次經過一定時間之後,在速度上就有所增加。物體在任何一點上都繼續保有其速度並且被引力加劇。如果引力能夠截斷,物體將仍舊以它在那一點上所獲得的速度繼續運動下去。伽利略在金屬球在斜面滾動的實驗中觀察到,金屬球以勻速繼續滾過一片光滑的平桌面。從以上這些觀察結果就得到了慣性原理。這個原理闡明物體只要不受到外力的作用,就會保持其原來的靜止狀態或勻速運動狀態不變。
他主張,施加外力改變的是物體的速度而不是位置;維持物體速度不變,不需要任何外力。為了證實他的主張,伽利略做了一個思想實驗。讓靜止的小球從點A滾下斜面AB,滾到最底端後,小球又會滾上斜面BC,假設兩塊斜面都非常的平滑、摩擦係數極小,而且空氣阻力微弱,以至於可以忽略不計,則小球會滾到與點A同高度的點C;假設斜面是BD、BE或BF,小球也同樣地會滾到與點A同高度的位置。只不過斜面越長,往上滾的時候,單位時間內速度的減少量會變得越小。假設斜面逐漸延長,最後變成水平面BH,則基於“連續性原則”該小球“本應當”回到與點A同高度的位置,然而由於事實上BH是水平的,小球永遠不可能滾到先前的高度,而速度的減少量將變成0,因此小球會不停地呈勻速直線運動。伽利略總結,假若不碰到任何阻礙,那麼運動中的物體會持續地做勻速直線運動。他將此稱為慣性定律。
這理論剛被提出時並不被其他學者接受,因為當時大多數學者不瞭解摩擦力與空氣阻力的本質,不過伽利略的實驗以可靠的事實為基礎,經過抽象思維,抓住主要因素,忽略次要因素,更深刻地反應了自然規律。
值得注意的是,後來,伽利略從慣性定律推論,假若沒有任何外在參考比較,則絕對無法分辨物體是靜止不動還是移動。這觀察後來成為愛因斯坦發展狹義相對論的基礎。
伽利略的慣性原理是近代科學的起點,它摧毀了反對哥白尼的所謂缺乏地球運動的直接證據的藉口。
6、笛卡爾
笛卡爾等人又在伽利略研究的基礎上進行了更深入的研究,他認為:如果運動物體,不受任何力的作用,不僅速度大小不變,而且運動方向也不會變,將沿原來的方向勻速運動下去. [2] 
7、牛頓
而被現代社會所普遍認知的慣性原理,來自於牛頓的《自然哲學的數學原理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy, 1687),定義如下:
慣性定律就是牛頓第一定律
一切物體都將一直處於靜止或者勻速直線運動狀態,直到出現施加其上的力改變它的運動狀態為止。
寫出牛頓第一定律後,牛頓開始描述他所觀察到的各種物體的自然運動。像飛箭、飛石一類的拋體,假若不被空氣的阻力抗拒,不被引力吸引墜落,它們會速度不變地持續運動。像陀螺一類的旋轉體,假若不受到地面的摩擦力損耗,它們會永久不息地旋轉。像行星彗星一類的星體,在阻力較小的太空中移動,會更長久地維持它們的運動軌道。在這裏,牛頓並沒有提到牛頓第一定律與慣性參考系之間的關係,他所專注的問題是,為什麼在一般觀察中,運動中的物體最終會停止運動?
他認為原因是有空氣阻力、地面摩擦力等等作用於物體。假若這些力不存在,則運動中的物體會永遠不停的做勻速運動。這想法是很重要的突破,需要極為仔細的洞察力與豐富的想像力才能達成。
牛頓的慣性原理是經典物理學的基礎之一,並且對慣性原理的理解也隨着現代物理學的發展而出現了改變。牛頓説:“我只是站在巨人的肩膀上!”
8、馬赫
馬赫對牛頓的慣性概念做了重要的補充,認為慣性來源於物體與宇宙其餘部分的相互作用。(不僅僅是物體本身的質量決定的)。
9、愛因斯坦及相對論
對於慣性認識的一個重要進展是慣性與能量的關係。
阿爾伯特·愛因斯坦於1905年在論文《論動體的電動力學》裏提出的狹義相對論,這是一個嶄新的物理理論,是建立於伽利略與牛頓研究出來的慣性與慣性參考系。它統一了力學理論和電磁學理論,帶來了時空觀的根本變革。愛因斯坦隨後證明質能關係E=mc²,一定的質量對應於一定的能量,反之一定的能量對應一定的質量。
在這裏,能量包括了能量的各種形式,突破了上面把某一種形式的能量與慣性聯繫起來的認識。這樣,慣性是能量的屬性,能量具有慣性(質量),任何慣性質量都應歸因於能量。作為物理學基本概念和物質的量的質量概念退居次要的地位,如今在近代物理中能量、動量等概念要比質量、力等概念要重要得多。
儘管這劃時代的理論實際地改變了許多牛頓概念,像質量、能量、距離,那時後,愛因斯坦的慣性概念與牛頓的原本概念絲毫沒有任何差異。實際而言,整個理論是建立於牛頓的慣性定義。但這也使得狹義相對論的相對性原理只能應用於慣性參考系。在這種參考系裏,不受外力的物體,必定保持其靜止或勻速直線運動狀態。
為了處理這侷限,愛因斯坦於1916年發表論文《廣義相對論的基礎》提出廣義相對論。這理論能夠應用於非慣性參考系。但是,為了達到這目的,愛因斯坦發覺,他必需使用到彎曲時空的新概念,而不是傳統的牛頓力的概念,來重新定義幾個基礎概念(例如引力)。
因為這重新定義,愛因斯坦還以測地誤差重新定義了慣性的概念,這又引起一些微妙但重要的結果。根據廣義相對論,當處理大尺寸問題時,不能使用與倚賴傳統牛頓慣性。幸運地,對於足夠小的時空區域,狹義相對論仍舊適用,慣性的內涵與工作仍舊與經典模型相同。
狹義相對論的另一個深奧的結果是,能量與質量不是互不相干的物理屬性,而是可互相轉換的。這嶄新關係也給予慣性概念新的內涵。狹義相對論的邏輯結果是,假若質量遵守慣性原理,則能量必也遵守慣性原理。對於很多狀況,這理論大大地拓寬了慣性的定義,能夠應用於物質與能量。
能量具有慣性拓寬了對於慣性的認識,也拓寬了對於能量的認識。它帶來的重大實用價值就是核能的釋放。在裂變反應中,裂變產物的靜質量小於裂變前物質的靜質量,質量虧損釋放出大量裂變能;在聚變反應中,聚變產物的淨質量小於聚變前物質的淨質量,質量虧損釋放出大量的聚變能。它也使得人們很好地認識許多物理現象,包括涉及物質的全部質量與能量轉化的正反粒子對的產生和湮沒過程。
我們知道,慣性質量是物體慣性的量度,反映物體對加速度的阻抗,而引力質量是物體引力屬性的量度,反映物體產生和承受引力的能力。它們顯然是物質的兩種完全不同的屬性,描述物質兩種不同性質的量是否嚴格相等是一個問題,慣性質量和引力質量相等是一條嚴格的定律。原來牛頓力學中無法説明的慣性質量與引力質量相等不再是遊離於物理學之外的一個普遍事實,而是成為意義重大的廣義相對論的基石。愛因斯坦找到了這塊基石,並由此發展了廣義相對論,這實在是愛因斯坦獨具慧眼、超羣絕倫的偉大貢獻。慣性這個問題已經成為困擾現代物理學者的難題,雖然擁有偉人牛頓經典理論。但在科技時代出現許許多多的現象用以前的理論是無法解釋的。使用曾經的經典無法解釋的。也是現代物理的奠基人愛因斯坦留個我們後人的問題。愛因斯坦無法解釋慣性,所以無奈的把相對論分成廣義的和狹義的。他的人生一直被這個問題困擾還是沒有答案。 [4] 

慣性辨析與區別

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與“第一定律”的區別
“慣性”與“慣性定律”不是同一概念,不能混為一談。它們的區別:慣性是一切物體固有的屬性,是不依外界(作用力)條件而改變,它始終伴隨物體而存在。牛頓第一定律則是研究物體在不受外力作用時如何運動的問題,是一條運動定律,它指出了“物體保持勻速直線運動狀態或靜止狀態”的原因。而慣性是“物體具有保持原來的勻速直線運動狀態或靜止狀態”的特性;兩者完全不同。為何牛頓第一定律又叫慣性定律,是因為定律中所描述的現象是物體的慣性的一個方面的表現,當物體受到外力作用(合外力不為零)時,物體不可能保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,但物體力圖保持原有運動狀態不變的性質(慣性)仍舊錶現出來。
與“力”的區別
“慣性”與“力”不是同一概念,“子彈離開槍口後還會繼續向前運動”,“水平道路上運動着的汽車關閉發動機後還要向前運動”這些都是慣性。慣性與力的區別:
①物理意義不同;慣性是指物體具有保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質;而力是指物體對物體的作用。慣性是物體本身的屬性,始終具有這種性質,它與外界條件無關;力則只有物體與物體發生相互作用時才有,離開了物體就無所謂力。
②構成的要素不同:慣性只有大小,沒有方向和作用點,而大小也沒有具體數值,無單位;力是由大小,方向和作用點三要素構成,它的大小有具體的數值,單位是牛。
③慣性是保持物體運動狀態不變的性質;力作用則是改變物體的運動狀態。
④慣性的大小隻與物體的質量有關,而力的大小跟許多因素有關(視力的種類而定)。 [5] 
與“速度”的區別
慣性大小與物體運動的快慢無關。“汽車行駛越快,其慣性越大”是不正確的。運動快的汽車難剎車是因為運動速度越快,物體的運動狀態越難改變。可見慣性大小與運動狀態並無關係。慣性大小隻與物體質量有關。 [5] 
慣性維護平衡與作用造成變化的辯證關係。
物體的慣性和外力作用這一對矛盾的對立統一,形成了宏觀物體的形形色色的各種複雜的運動。如果沒有外力,物體也就沒有複雜多樣的運動形式;如果沒有慣性,物體的運動狀態改變不需要力的作用。只有當我們理解了慣性與外力作用的辨證關係,就不難解釋慣性現象。例如“錘子鬆了,把錘把的一端在物體上撞幾下,錘頭就能緊套在錘柄上”這是因為錘與柄原來都向下運動,柄撞在物體上受到阻力作用,改變了它的運動狀態,就停止了運動,錘頭沒受阻力仍保持原來運動狀態,繼續向下運動,這樣錘頭就緊套在錘柄上了。
類別
不受外力的時候,一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態。 這裏的靜止和勻速直線運動指的是絕對靜止和絕對勻速直線運動。就是説慣性定律是相對於絕對靜止系説的。不是相對於相對靜止説的,也不是相對於絕對勻速直線運動系説的。慣性定律的適用範圍是所有的物體,是一切物體。所有物體的運動都是起源於靜止,起源於絕對靜止,是相對於絕對靜止説的。正因為慣性定律的適用範圍是所有的物體,所以物體受力後才會產生加速度,由於所有的物體都是受力的,所以所有的物體都是變速的,這是物體不受力時符合慣性定律,受力時符合牛頓第二定律和第三定律的原因。
我們通常説的慣性指的是物體相對於參考系的慣性,即物體不受外力的時候具有保持與參考系相互靜止或勻速直線運動的性質。因此不同慣性系所有的慣性是不同的。在慣性系中物體由於慣性保持靜止,在另一個勻速直線運動慣性系看來,就是物體由於慣性保持勻速直線運動狀態。靜止的物體怎麼會勻速直線運動呢?原來在不同的慣性系看來慣性指的可能不同。由於所有的都是受力的,變速運動,那麼所謂的慣性系就是在這裏的選擇,是圓的物體都可以是慣性系,任意選擇一個物體都可以是慣性系。

慣性詮釋

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質量與慣性
慣性的定性定義為物體抵抗動量改變的性質。將這定義加以定量延伸為物體抵抗動量改變的度量,就可以用來做數學計算。這度量稱為慣性質量,簡稱為質量。所以,質量表示物質的數量,同時,質量也是物體慣性的度量。
動量方程表達物體的動量p與質量m、速度v之間的關係:
p=mv
但是,牛頓第二定律方程也可以表達物體的作用力F與質量(慣性質量)m、加速度a之間的關係:
F=ma
按照這方程,給定作用力,則質量越大,加速度越小。由動量方程與牛頓方程給出的質量相同。因為,假若質量與時間、速度無關,則牛頓方程可以從動量方程推導出來。
這樣,質量是物體慣性的度量,即物體抵抗被加速的度量。物體慣性這詞語的含意,已從原本含意——維持動量的傾向,改變為物體抵抗動量改變的度量。
引力質量與慣性質量
引力質量與慣性質量之間的唯一差別是測量方法。
將未知質量的物體與已知質量的物體分別感受到的引力做測量比較,就可以得到未知物體的引力質量。通常,可以使用天平來做測量。這方法的優點是,不論在什麼地方,在什麼星球,都可以用天平來做測量,因為對於任意物體,引力場都一樣。只要引力場不改變,天平會測量出可信的引力質量。但是,在超質量星體附近,例如,黑洞中子星,就不能採用這種方法,因為在這區域裏,引力場的梯度太過陡峭,在天平的左右兩個托盤位置的引力場差異量太大,超過允許誤差範圍。在失重環境,也不能採用這種方法,因為天平不能做任何比較。
施加已知作用力於未知質量的物體,測量產生的加速度,然後應用牛頓第二定律方程,就可以得到慣性質量,其誤差只限制於測量的準確度。當處於自由落體狀況時,使用這方法,坐在一種特別座椅,稱為物體質量測表,就可以測量出失重航天員的慣性質量。 [6] 
值得注意的是,實驗者尚未找出,引力質量與慣性質量,兩者之間有什麼差異。實驗者已完成許多實驗,檢驗兩者的實驗數值,但是差異都在實驗誤差邊限之內。愛因斯坦在創建廣義相對論時,從引力質量與慣性質量相等的事實,得到很大的啓示。他假設引力質量與慣性質量相同,引力所產生的加速度是時空連續統內的斜度所造成的結果,就好像圓球以螺旋線樣式滾下一個倒圓錐。 [7] 
慣性參考系
當描述物體運動時,只有相對於特定的參考系,才能確實顯示出其物理行為。假若選擇了不適當的參考系,則相關的運動定律可能會比較複雜,在慣性參考系中,力學定律表現出的形式最為簡單。從慣性參考系觀察,任何呈勻速直線運動的參考系,也都是慣性參考系,否則是“非慣性參考系”。換句話説,牛頓定律滿足伽利略不變性,即在所有慣性參考系裏,牛頓定律都保持不變 [8] 
選擇以固定星體來近似慣性參考系,這方法的誤差相當微小。例如,地球繞着太陽的公轉所產生的離心力,比太陽繞着銀河系中心的公轉所產生的離心力,要大三千萬倍。所以,在研究太陽系中星體的運動時,太陽是一個很好的慣性參考系。地球也可以視為慣性參考系。由於地球自轉而產生的加速度在地球表面為0.034m·s。重力加速度大約為自轉加速度的288倍。由於地球繞着太陽公轉而產生的加速度為0.006m·s,更為微小。所以,可以忽略地球的自轉和公轉加速度。
假設處於地球參考系的觀察者A,觀察到一輛火車呈勻速直線運動,則附着於此火車的參考系(火車參考系)也是慣性參考系。假設在火車車廂內,有一個圓球從高處掉落下來,處於火車參考系的觀察者B,所觀察到的圓球軌跡,就如同當這火車固定不動時,這圓球會垂直掉落下來一樣。從地球參考系觀察,在掉落之前,圓球與火車的移動速度與方向相同,圓球的慣性保證,朝着火車移動方向,圓球與火車的移動速度相等。注意到在這裏,是慣性而不是質量給出這保證。
每一個慣性參考系裏的觀察者,都會觀察到所有物理行為都遵守同樣的物理定律。從一個慣性參考系,可以簡單又直覺明顯地變換(伽利略變換)到另外一個慣性參考系。這樣,處於地球參考系的觀測者A能夠推論,火車參考系的觀察者B會觀察到,在火車車廂內掉落的圓球,會垂直掉落下來。
對於非慣性參考系而言,由於參考系的加速度不等於零,物體會感受到虛設力。假設火車正在加速度中,則火車參考系的觀察者B會觀察到,圓球不會垂直地掉落,而會偏改方向,這是因為朝着火車移動方向,圓球與火車的移動速度不相等。
再舉一個例子,假設將地球自轉納入考量,地球每24小時會自轉一週,旋轉的地球參考系是非慣性參考系。從北極發設一枚導彈,對準南方位於赤道的某點P,則從地球參考系觀察,由於感受到科里奧利力,這枚導彈會偏離點P。但是,從太陽參考系觀察,由於地球的自轉,點P位置有所改變,所以沒有準確抵達點P。

慣性例子

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  1. 飛鏢脱手後繼續運動;
  2. 小狗抖動身體,甩掉毛上的水(洗衣機甩幹);
  3. 發射衞星所需的推力不但與衞星所受重力和發射的傾角有關,而且還與發射方向和發射地點的緯度有關,按照赤道上某點計算,地球由西向東以460m/s的速度轉動。如果火箭向東發射,就可以利用地球自轉的慣性節省推力。隨着地球緯度的變化,各處轉動的線速度也不一樣,地球轉動線速度在赤道處最大,而在南北極最小,幾乎為零。所以,發射地點的緯度越高,所需火箭推力也越大。在赤道附近順着地球自轉的方向發射最為省力;
  4. 汽車發動機的飛輪提供非做功衝程的動力;
  5. 足球在空中飛行;
  6. 紙飛機離開手以後繼續飛行;
  7. 星際探測儀,一經脱離地球引力範圍,不需要用發動機就可保持飛行,萬有引力提供向心力做勻速圓周運動;
  8. 錘頭鬆了,只要把錘柄在固定的物體上撞幾下,錘頭就牢牢地套在錘柄上了;
  9. 跳遠時利用助跑,使自己跳得更遠;
  10. 車啓動時,人會向後靠;停止時,向前;向左轉,人向右;向右轉,人向左(事實上,人一直是相對於地面向前運動,只是因為汽車方向的改變,而使人看起來位置也在變);
  11. 緊急剎車時,人會向前傾;
  12. 用“拍打法”除去衣服上的灰塵;
  13. 用鐵鍁往鍋爐裏投煤;
  14. 子彈離開槍口後還會繼續向前運動;
  15. 走路的時腳被樹枝等絆住。由於腳下遇到阻力,立即停止運動,而上身則由於慣性繼續向前運動,所以會向前傾倒;;
  16. 關閉燃氣後,鐵鍋還會繼續熱一段時間才會逐漸冷卻下來,這是熱的“慣性”現象;
  17. 汽車在高速行駛時緊急剎車,不是馬上停下來,而是滑行一段距離後停下來;
  18. 灑水槍,水離開槍後還能繼續運動;
  19. 投擲鉛球時,鉛球離開手後繼續運動。 [2] 

慣性易錯點

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常説“某物體受到慣性(力)的作用”或“由於慣性的作用”,這一説法是錯誤的。應該説是由於物體具有慣性(或由於慣性)。科學家也曾經把慣性作為假想力而存在。
一切物體都有慣性,與它是否運動,是否受力無關,它是物體的一種屬性。物體具有保持原來運動(或靜止)狀態的屬性,這種屬性稱為慣性。所有物體都具有慣性。(可以理解為靜止也是一種慣性)

慣性轉動慣量

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轉動慣量(Moment of Inertia)是剛體繞軸轉動時慣性(迴轉物體保持其勻速圓周運動或靜止的特性)的量度,用字母I或J表示。轉動慣量在旋轉動力學中的角色相當於線性動力學中的質量,可形式地理解為一個物體對於旋轉運動的慣性,用於建立角動量、角速度、力矩和角加速度等數個量之間的關係 [9]  。轉動慣量是慣性的另外一種形式,指的是剛體在旋轉時維持其勻速旋轉運動的傾向。除非有外力矩施加,剛體的角動量不會改變。這理論稱為角動量守恆定律。由於陀螺儀的轉動慣量,它可以抵抗任何對於旋轉軸方向的改變。

慣性可能成因

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以下結論尚存爭議
研究者提出由廣義相對論解釋慣性的可能成因:靜者恆靜乃是因為靜止質量會扭曲時空產生凹陷,猶如一個鐵球放在彈簧牀的正中央產生了凹陷,此凹陷限制了鐵球的運動並固定其位置,此可解釋為何引力質量恰與慣性質量完全相等,是故靜者恆靜。動者恆動是因為廣義相對論有旋轉參考系託曳(rotational frame dragging)及線性參考系託曳(linear frame dragging),當一個具質量物體轉動時時空會跟着轉動而直線運動時時空也會跟着直線運動,根據參考系託曳公式,時空場運動的幅度正比於角動量或動量,當時空轉動時其上的物體會跟着轉動而當時空線性前進時物體也會跟着向前運動,當物體再轉動或直線前進時它又會帶動時空的轉動或直線運動,如此循環不息的正向回饋造成了動者恆動轉者恆轉,這也是動量守恆及角動量守恆的原因,是故動量為物體直線運動的慣性而角動量為物體旋轉運動的慣性。
參考資料
  • 1.    [英]艾倫·艾薩克斯.麥克米倫百科全書:[M].杭州:浙江人民出版社
  • 2.    趙曉霞.《認識慣性》教學設計 [D].新課程(下) , 2013-10-28
  • 3.    王春燕.認識慣性四注意[D].初中生輔導 , 2009-03-10 .
  • 4.    邵建軍.愛因斯坦的相對論及其產生的歷史背景[J].高等函授學報(自然科學版),2001,(第1期).
  • 5.    王保祥 .如何理解“慣性”概念 [D].中學生數理化(教與學) , 2012-03-20
  • 6.    任天忠; 遊陽明; 魏連甲 .淺談慣性質量、引力質量和測度質量 [D].滄州師範專科學校學報 , 2008-06-15 .
  • 7.    蔡志東 .論慣性質量與引力質量 [D].大學物理 , 2012-03-15
  • 8.    高炳坤; 李復.“慣性系”考[D].大學物理 , 2002-04-20.
  • 9.    劉振東, 鄭桂梅, 孫興川. 基於扭擺法的轉動慣量測量[J]. 河南科學, 2008, 26(10):1181-1185.
  • 10.    慣性  .911查詢[引用日期2021-07-06]