Что значит мера инертности тела
ИНЕРЦИЯ И МОМЕНТ ИНЕРЦИИ: базовые сведения
История понятия «инерция»
До эпохи Возрождения, в Средние века, в западной философии общепринятой была аристотелевская теория движения. Ученик Платона, древнегреческий философ Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.) утверждал, что в отсутствии внешней силы все объекты остановятся, и что движущиеся объекты продолжают двигаться только до тех пор, пока есть побуждающая к движению сила.
Принцип движения по инерции, который возник у Аристотеля для «движений в пустоте», гласил, что объект имеет тенденцию сопротивляться изменению движения.
Окончательно от аристотелевской теории отказались в ходе ряда открытий, предшествовавших научной революции XVII века.
Термин «инерция», от латинского слова «безделье» или «лень» (лат. inertia), был впервые использован немецким математиком и астрономом Иоганном Кеплером (1571 – 1630 гг.) в его книге «Epitome Astronomiae Copernicanae», которая была опубликована в трех частях в 1617–1621 гг. Но Кеплер определял инерцию только как сопротивление движению, основываясь на старом предположении, что покой – это естественной состояние вещей, которое не нужно объяснять и к которому стремятся тела.
Покой и движение объединил единым принципом современник Кеплера Галилео Галилей (1564 — 1642) — итальянский физик, механик, астроном, философ и математик. Он первый, кто направил зрительную трубу в небо, превратив её в телескоп. В 1609 году он создал свой первый телескоп с трёхкратным увеличением. Галилео Галилей писал, что «если устранить все внешние препятствия, то тяжелое тело на сферической поверхности, концентрической Земле, будет поддерживать себя в том состоянии, в котором оно находилось; если его поместить в движение к западу (например), то оно будет поддерживать себя в этом движении».
Чтобы оспорить идею Аристотеля о естественности состояния покоя, Галилей проводил один из таких мысленных экспериментов. Если исключить силу трения, то шар, катящийся по склону оврага (холма), взлетит до той же высоты на противоположной стороне. Если второй склон постепенно наклонять, шар будет катиться все дальше и дальше и в горизонтальном положении склона будет катиться бесконечно долго.
Галилей сделал вывод, что «Тело, движущееся по ровной поверхности, будет продолжать движение в том же направлении с постоянной скоростью, если движение не будет нарушено».
Позднее, мысли Галилея будут уточнены и систематизированы Исааком Ньютоном. Исаак Ньютон (1642 – 1727) — английский физик, математик, механик и астроном, основатель классической физики. В своем труде «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), впервые опубликованном в 1687 году, он изложил закон всемирного тяготения и три закона динамики.
Явление инерции, изначально сформулированное Галилеем, вошло в первый закон Ньютона.
Оговоримся, что согласно определению, законы Ньютона справедливы только для систем отсчета (система отсчета – это тело отсчета со связанной с ним системой координат, относительно которого можно вычислять положение тел, и система измерения времени, т.е. некоторые часы), которые принято называть инерциальными. Инерциальная система отсчета – это такая система, в которой ускорение тел зависит только от приложенных сил, а не свойством самой системы отсчета (наблюдателя) перемещаться с ускорением.
Посмотрим на второй закон Ньютона.
Чаще его записывают в виде:
так как в инерциальной системе отсчета сила является причиной ускорения тела.
Как видно из второй формулы, для тела неизменной массы ускорение тела (скорость изменения его скорости) прямо пропорционально силе, приложенной к телу (чем сильнее толкаем, тем быстрее тело разгоняется) и обратно пропорционально его массе (чем тяжелее тело, тем сложнее его разгонять).
Представим, что тело движется в вакууме и на него не действуют никакие силы (F=0). Значит и скорость его меняться не будет (a=0).
Инерция (лат. inertia — покой, постоянство, неизменность) – природное явление сохранения равномерного прямолинейного движения или состояния покоя любого тела, пока на него не действуют внешние силы или если действие сил скомпенсировано.
Инертность – свойство конкретного тела оставаться в покое или равномерно прямолинейно двигаться. От инертности зависит ускорение тела при приложении к нему внешних сил. Мерой количественного измерения инертности тела в прямолинейном движении является его масса. Больше масса – больше инертность тела, т.е. тем сложнее придать ему ускорение (разогнать или остановить).
Из-за большей чем у легковушки массы у грузовика инертность выше. Соответственно, и тормозной путь у него будет больше – нужно приложить большую силу, чтоб его остановить (хотя, можно поставить очень мощные тормоза). Говорить, что у грузовика больше инерция – некорректно.
Мерой инертности тела в прямолинейном движении выступает его масса. Больше масса – больше инертность тела.
Инерция, кинетическая энергия, работа
Приведем другой пример. Представь тяжелоатлета… Даже двух, которые решили поставить мировой рекорд и сдвинуть самолет. Им придется приложить немало сил, чтобы вначале разогнать самолет от нуля до некоторой скорости, а потом поддерживать эту скорость, преодолевая силу трения, направленную назад. Конечно, проще сдвинуть с места (преодолеть инерцию покоя) и разогнать до большой скорости тело меньшей массы, например, футбольный мяч. Инертность самолета во много раз больше инертности футбольного мяча.
А к какому трюку прибегает фокусник, чтобы в случае со скатертью все предметы остались на столе? Правильно, нужно выдернуть скатерть за наименьшее время. Чем меньше время, тем меньше энергии перейдет с силой трения на предметы и они просто не успеют разогнаться.
Энергия движущегося тела называется кинетической энергией и измеряется в Джоулях. Если тело неподвижно, кинетическая энергия равна нулю.
Чтобы разогнать тело массой m до нужной скорости V из состояния покоя (например, самолет), нужно выполнить работу, равную кинетической энергии разогнанного тела (без учета разных потерь):
Работа по изменению кинетической энергии тела совершается за счет приложения к нему некоторой силы – силы тяжести, силы трения, силы воздействия на него другого тела (тяжелоатлета-силача, дующего ветра, реактивной тяги ракетного двигателя и пр.).
Пусть силач разогнал до 0.1 м/с (10 сантиметров в секунду) легковую машину массой 1200 кг и самолет Ил-76 массой 88 500 кг в космосе (не будем учитывать силу трения). Тогда для преодоления инерции этих тел ему пришлось сжечь мышечной энергии на 6 Дж и 442,5 Дж соответсвенно. Т.е. на преодоление инерции покоя у самолета у спортсмена уйдет в 74 раза больше энергии, чем на автомобиль.
Чтобы остановить тело массой m, движущееся со скоростью V, нужно совершить обратную работу, равную отрицательному значению кинетической энергии этого тела:
Т.е. чем больше скорость тела и его масса, тем больше энергии на преодоление инерции движения надо затратить.
Если выключить мотор, машина под действием силы трения ее движущихся частей друг о друга, силы трения о воздух корпуса и силы трения колес об асфальт остановится сама. Но остановить машину можно и быстрее, увеличив силу трения с помощью тормозных дисков, т.е. выжав педаль тормоза.
При равной скорости масса грузовика намного больше, а значит больше его кинетическая энергия. Двигаясь накатом грузовик остановится дальше, чем легковой автомобиль – его инертность выше. Кстати, можно ли остановить грузовик быстрее легкового автомобиля и при каких условиях?
Момент инерции
Инерция проявляется не только для прямолинейного движения, но и при вращении тел. В двигателе есть специальное устройство – маховик (на рисунке справа маховик покрашен темно-серым цветом и имеет зубчики). Инерция его вращения помогает работать двигателю нормально. Энергия расширяющихся газов при воспламенении топлива толкает поршень вниз, а затем ему нужно идти вверх, выталкивая продукты сгорания. Без маховика поршень не смог бы провернуть коленвал без рывков. Двигатель без маховика заглохнет.
Ну а со спинерами и волчками знакомы многие.
Вот только в приведенных примерах форма тела не меняется. А изменится ли инертность тела при изменении его формы?
Вращение на фигурном катании
Многие могут вспомнить фигурное катание. Масса тела фигуриста за выступление не меняется. Но его скорость вращения мгновенно увеличивается, стоит прижать руки и ноги, и вытянуться в струнку. Т.е. при уменьшении радиуса тела скорость вращения увеличивается. Т.е. инертность тела должна уменьшиться? Давайте разбираться.
Вернемся к формулам. Скорость вращающегося тела описывается как произведение угловой скорости (омега) на радиус:
Скорость вращающегося тела
При этом кинетическая энергия вращающегося тела примет вид:
Синим цветом выделено произведение массы тела на радиус в квадрате. Эта величина называется моментом инерции вращающегося тела и обозначается латинской буквой I (и).
Мерой инертности вращающего тела выступает момент инерции, который зависит от массы тела и расстояния этой массы от центра вращения.
Представим, что девочка не только вращает груз над собой, но и идет. Тогда полная кинетическая энергия девочки с грузом примет вид:
Первая часть описывает кинетическую энергию двигающейся прямолинейно с некоторой скоростью девочки с грузом, а вторая – кинетическую энергию вращающегося груза. Полная кинетическая энергия — это сумма энергии прямолинейно движущегося тела и энергии вращающегося тела. Точно так же кинетическая энергия будет рассчитываться для движущегося по столу раскрученного волчка или съезжающего с наклонной плоскости цилиндра.
Так как вращающееся тело может иметь форму, отличную от точки или маленького шарика, то и формула момента инерции для более точных расчетов может принимать разный вид.
Пример.
Цилиндры одинаковой массы (m1 = m2), но разного радиуса (r1 
Цилиндры одинаковой массы, но разного радиуса, скатываются с горки высотой h
В верхней точке кинетическая энергия обоих цилиндров будет равна нулю, так как скорость равна нулю. Потенциальная энергия будет одинаковой и максимальной.
При скатывании цилиндров по закону сохранения энергии потенциальная энергия переходит в кинетическую и в самой нижней точке будет равна нулю, так как высота равна нулю. А кинетическая энергия в нижней точке будет складываться из поступательной кинетической энергии и кинетической энергии вращающегося тела и у обоих тел также будет одинаковой, так как их потенциальные энергии были равны.
Но так как радиус первого тела меньше второго, то и момент инерции первого тела меньше второго и будет справедливо:
Тогда для кинетической энергии поступательного движения будет справедливо отношение:
Следовательно, скорость первого цилиндра должна быть выше скорости второго, и он скатится быстрее. Так как мерой инертности вращающегося тела является момент инерции, то первое тело с меньшим радиусом и меньшим моментом инерции будет обладать меньшей инертностью, чем второе. Разогнаться под действием каких-либо сил (силы тяжести) такому телу проще.
Вопросы
1. Посмотри на картинку с формулами для расчета момента инерции для тел разной формы. Как ты думаешь, какая формула лучше подходит для расчёта момента инерции маховика автомобиля. Варианты ответа: a, b, c, d, e, f, g, h, или i
Маховик автомобиля
2. Два волчка одинаковой массы раскрутили до одинаковой угловой скорости, но диаметр первого волчка меньше диаметра второго. Какой из них упадет раньше?
3. На рисунке показаны три варианта конструкции. Какой вариант машинки имеет наименьшую инертность, а какой максимальную? Почему?
Что значит мера инертности тела
Инертность тела.
Мы уже говорили о явлении инерции.
Именно вследствие инерции покоящееся тело приобретает заметную скорость под действием силы не сразу, а лишь за некоторый интервал времени.
Инертность — свойство тел по-разному изменять свою скорость под действием одной и той же силы.
Ускорение возникает сразу, одновременно с началом действия силы, но скорость нарастает постепенно.
Даже очень большая сила не в состоянии сообщить телу сразу значительную скорость.
Для этого нужно время.
Чтобы остановить тело, опять-таки нужно, чтобы тормозящая сила, как бы она ни была велика, действовала некоторое время.
Именно эти факты имеют в виду, когда говорят, что тела инертны, т. е. одним из свойств тела является инертность.
Масса.
Количественной мерой инертности является масса.
Приведём примеры простых опытов, в которых очень отчётливо проявляется инертность тел.
1. На рисунке 2.4 изображён массивный шар, подвешенный на тонкой нити.
Внизу к шару привязана точно такая же нить.
Если медленно тянуть за нижнюю нить, то порвётся верхняя нить: ведь на неё действуют и шар своей тяжестью, и сила, с которой мы тянем шар вниз.
Однако если за нижнюю нить очень быстро дёрнуть, то оборвётся именно она, что на первый взгляд довольно странно.
Но это легко объяснить.
Когда мы тянем за нить медленно, то шар постепенно опускается, растягивая верхнюю нить до тех пор, пока она не оборвётся.
При быстром рывке с большой силой шар получает большое ускорение, но скорость его не успевает увеличиться сколько-нибудь значительно за тот малый промежуток времени, в течение которого нижняя нить сильно растягивается и обрывается.
Верхняя нить поэтому мало растягивается и остаётся целой.
2. Интересен опыт с длинной палкой, подвешенной на бумажных кольцах (рис. 2.5).
Если резко ударить по палке железным стержнем, то палка ломается, а бумажные кольца остаются невредимыми.
3. Наконец, самый, пожалуй, эффектный опыт.
Если выстрелить в пустой пластмассовый сосуд, пуля оставит в стенках правильные отверстия, но сосуд останется целым.
Если же выстрелить в такой же сосуд, заполненный водой, то сосуд разорвётся на мелкие части.
Это объясняется тем, что вода малосжимаема и небольшое изменение её объёма приводит к резкому возрастанию давления.
Когда пуля очень быстро входит в воду, пробив стенку сосуда, давление резко возрастает.
Из-за инертности воды её уровень не успевает повыситься, и возросшее давление разрывает сосуд на части.
Чем больше масса тела, тем больше его инертность, тем сложнее вывести тело из первоначального состояния, т. е. заставить его двигаться или, наоборот, остановить его движение.
Единица массы.
В кинематике мы пользовались двумя основными физическими величинами — длиной и временем.
Для единиц этих величин установлены соответствующие эталоны, сравнением с которыми определяются любая длина и любой интервал времени.
Единицей длины является метр, а единицей времени — секунда.
Все другие кинематические величины не имеют эталонов единиц.
Единицы таких величин называются производными.
При переходе к динамике мы должны ввести ещё одну основную единицу и установить её эталон.
В Международной системе единиц (СИ) за единицу массы — один килограмм (1 кг) — принята масса эталонной гири из сплава платины и иридия, которая хранится в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа.
Точные копии этой гири имеются во всех странах.
Приближённо массу 1 кг имеет вода объёмом 1 л при комнатной температуре.
Легко осуществимые способы сравнения любой массы с массой эталона путём взвешивания мы рассмотрим позднее.
Взаимодействие тел. Масса как мера инертности
Разделы: Физика
Тип урока: урок получения новых знаний с использованием структурного подхода, мультимедиа.
Оборудование: два цилиндра на нитях, подвешенные на штативе, две тележки разной массы, упругая пружина, рычажные весы, набор разновесов, гирь, пружинные весы, видеофильм “Масса тел”, программа на компьютере для демонстрации опыта по взаимодействию тел, по взвешиванию тел разной массы.
Ход урока
I. Организационный момент. Мотивационное начало. (2 мин)
– Здравствуйте. Расставьте ноги по ширине плеч. А теперь повернем туловище вправо насколько можем и запомним место на стене, куда дотягивается наш взгляд. Запомнили? Теперь вернемся в исходное положение.
И сейчас снова повернемся вправо, но постараемся посмотреть еще дальше. Итак, повернулись, повернулись, так чтобы еще дальше посмотреть. Спасибо, садитесь.
– У всех получилось посмотреть во второй раз дальше? Я и в первый раз попросила вас повернуться, так как только вы сможете. Но во второй раз все повернулись гораздо дальше. А получилось так потому, что перед нами стояла цель – увеличить предыдущее достижение. – Так вот, юные физики, всегда, когда у человека есть цель, он может добиться гораздо большего. Итак, наша цель на уроке – изучить понятие массы как меры инертности тел, научиться измерять массы тел и улучшить ваши достижения в применении знаний на практике. Работать будем со структурными схемами, которые вы дома вклеите в тетрадь. Запишите число, тему урока.
II. Решение проблемного вопроса. Демонстрация опытов с цилиндрами, тележками. (7 мин)
По ходу объяснения нового материала опора на структурную схему по теме “Взаимодействие тел. Масса тел”.
Проблема: “Почему при неравномерном движении изменяется скорость тел?” Опыт с цилиндрами.
Вывод: Если тело изменяет свою скорость, то всегда можно указать другое тело, действие которого вызвало это изменение – происходит ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ!”
Вопрос: От чего зависит изменение скорости тел при их взаимодействии?
Опыты с учебника по взаимодействию тележки с пластинкой, двух тележек. В первом случае механическое движение не возникает. (Работа за РС с мультимедиа). При взаимодействии двух тележек и пластинки мы наблюдаем возникновение механического движения у двух тележек. Делая разными грузы на тележках, мы замечаем, что они приобретают различные скорости.
Главный вывод: взаимодействие тел приводит к изменению их скоростей. Причем, скорости изменяются по-разному. Если тело при взаимодействии с другим телом меньше изменяет свою скорость, то говорят, что оно более инертно.
III. Объяснение нового материала. ( 10 мин)
Из приведенных опытов можно сделать вывод, что тела большей массы более инертны, чем тела меньшей массы. Таким образом, масса – это мера инертности тел. Следовательно, инертность – свойство, присущее всем материальным объектам (материальным точкам).
Зная массу одного из тел, мы всегда можем оценить массу другого:
– если при взаимодействии скорости тел меняются одинаково, то массы тел равны.
– если нет, то массу второго тела можно вычислить из соотношения скоростей.
Масса в физике обозначается буквой m. За единицу массы в системе СИ принят 1 килограмм. Эталон массы хранится в г. Севре во Франции. Копии эталона хранятся в разных странах.
Производными единицами массы являются:
1 г = 0,01 кг 1 т = 1000 кг 1 мг = 0,000001 кг 1 ц = 100 кг
Самый простой способ определения массы – взвешивание (сравнение с эталоном). Используются разные весы: пружинные (кантор, безмен), рычажные, электронные (работа с учебником по рис. 21). Принцип взвешивания на рычажных весах заключается в уравновешивании. В состоянии равновесия суммарная масса гирь известной массы равна массе взвешиваемого тела. Попробуем определить массы тел с помощью рычажных весов. Знакомимся с правилами взвешивания. Определяем массы тел.
Применение в быту и на дорогах. Стихотворение про массу и инертность:
Знаю я с седьмого класса:
Главное для тела – масса.
Если масса велика,
Жизнь для тела нелегка;
С места тело трудно сдвинуть,
Трудно вверх его подкинуть,
Трудно скорость изменить.
Только в том кого винить?
IV. Закрепление пройденного
Просмотр видеофильма “Масса”. Обсуждение фильма. (10 мин)
V. Решение задач. (12 мин)
VI. Итог урока. Домашнее задание
§18–20, пересказ структурной схемы, подготовиться к лабораторной работе №3, Упр. 6 (4 мин)
Каждый из вас смог достигнуть поставленные в начале урока цели? Что вы сегодня узнали нового? Что повторили? Закрепили? Чему научились на уроке?
Свойство инертности и масса тела
Когда мы играем с мячом, нам кажется, что стоит его ударить рукой или ногой, и он мгновенно полетит в нужную сторону. Если же мяч налетит на стену, то в тот же миг отскочит назад. Похоже на правду?
 |
Проверим наше мнение кинематографическим методом: заснимем движение мяча на киноплёнку и рассмотрим его положения на получившихся кадрах (см. рисунок).
Вот мяч приближается к стене (кадр 1). Вот он её касается (2), значит, на следующем кадре мяч должен полететь обратно. Нет! Мяч летит дальше, сплющиваясь всё сильнее (3). И на следующем кадре мяч всё плотнее приближается к стене (4). И лишь после этого, распрямляясь, летит обратно (кадры 5–7). Как видите, мяч не мгновенно меняет скорость, останавливаясь при ударе и разгоняясь в обратном направлении.
Не только упругий мяч, но и вообще любое тело не мгновенно изменяет свою скорость – для этого всегда требуется некоторое время. Например, нагруженный самосвал дольше разгоняется и тормозит, чем тот же самосвал, но без груза.
В физике свойство тела сопротивляться мгновенному изменению направления и/или быстроты движения, то есть изменению скорости, называют инертностью тела. Для изменения скорости тела с большей массой нужно больше времени, то есть инертность тела проявляется тем заметнее, чем больше его масса.
Как вы понимаете, гравитационное притяжение и инертность тела – это совершенно разные свойства. Для их характеристики правильнее было бы использовать две разные физические величины: гравитационную массу и инертную массу. Однако эксперименты не обнаружили их различия, что позволяет нам оба этих свойства каждого тела характеризовать одной величиной – массой.
Рассмотрим опыт. Имеются две одинаковые тележки с упругими пластинками; на левой тележке находится «взвешиваемое» тело, а на правой – гири. Подкатим тележки друг к другу, согнув пластинки между ними и перевязав их тонкой нитью. Если её пережечь, пластинки начнут распрямляться, отталкивая друг друга. При этом тележки разъедутся в стороны, приобретя некоторые скорости. Говорят, что произошло взаимодействие тележек.
 |
Если масса гирь на правой тележке мала, то за время взаимодействия она приобретёт большую скорость, чем тележка с телом. И наоборот: при избыточной массе гирь скорость тележки с ними будет меньше, чем скорость тележки с телом. Подбирая массу гирь, можно заставить тележки разъезжаться с одинаковыми скоростями. Это значит, что в этом случае масса тела равна массе гирь. Подсчитав массу гирь, мы найдём массу тела.
Весами и методом взвешивания мы не можем воспользоваться в условиях невесомости, поскольку ни тело, ни гири не будут давить на чаши весов. Однако метод взаимодействия в этом случае вполне применим, так как даже в условиях невесомости можно наблюдать взаимодействие тележек и сравнивать их скорости.