§18 Инерция

Определения и обозначения

Инерция — явление сохранения телом состояния покоя или равномерного прямолинейного движения, если действие других тел не изменяет это состояние. Иными словами, тело не начинает двигаться, не останавливается и не меняет направление само по себе. Это понятие помогает объяснить, почему предмет после толчка продолжает двигаться, а пассажир при торможении автобуса наклоняется вперёд. Инерция — название явления, а не отдельная сила.

Инертность — свойство тела, которое показывает, насколько трудно изменить его скорость. Скоростью называют не только быстроту движения, но и его направление: при повороте она тоже изменяется. Инертность нужна, чтобы сравнивать, например, разгон двух тел при одинаковом воздействии. Чем больше масса тела, тем оно инертнее; массу обозначают буквой m и измеряют в килограммах.

Как это устроено

Когда тело покоится, оно не начинает двигаться без причины: чтобы привести его в движение, нужно действие другого тела. Например, неподвижный мяч покатится, если его толкнуть ногой. Толчок меняет состояние движения мяча, а после прекращения толчка мяч ещё некоторое время катится. Значит, движение не исчезает сразу, когда перестаёт действовать толкнувшая нога.

Катящийся мяч постепенно останавливается не потому, что инерция исчезла, а потому, что на него действуют другие тела. Поверхность тормозит мяч из-за трения, а воздух тоже препятствует движению. Если сделать поверхность более гладкой, мяч прокатится дальше: тормозящее воздействие станет меньше. Поэтому в повседневной жизни инерцию бывает труднее заметить, чем в мысленном случае, когда внешние воздействия отсутствуют.

Если воздействия на тело уравновешены, его движение не меняется: покоящееся тело остаётся в покое, а движущееся продолжает двигаться равномерно и прямолинейно. Уравновешенные воздействия не обязательно отсутствуют — они могут компенсировать друг друга. Например, книга лежит на столе: стол поддерживает её, а притяжение Земли тянет вниз. Если же равновесие нарушается, тело может разогнаться, замедлиться или повернуть.

При резком торможении автобуса его скорость быстро уменьшается, но тело пассажира стремится сохранить прежнее движение. Поэтому пассажир наклоняется вперёд относительно автобуса; поручень или ремень помогают изменить движение безопаснее. При начале движения происходит обратное: автобус уходит вперёд, а тело пассажира стремится сохранить покой, и человек отклоняется назад. В обоих случаях тело не выбирает направление, а сохраняет состояние, которое было у него до изменения движения автобуса.

Масса связана с тем, насколько заметно проявляется инертность. Если одинаково толкнуть пустую и загруженную тележки, тяжёлую тележку обычно труднее разогнать или остановить. При прочих равных условиях большему изменению скорости тела с большей массой нужно более сильное или более длительное воздействие. Это не означает, что массивное тело всегда движется медленно: оно может двигаться быстро, но его движение труднее изменить.

Примеры проявления инерции

В таблице сначала найдите, меняется ли движение тела или оно сохраняется. Затем определите, какое действие пытается изменить движение: например, торможение автобуса или трение пола. Не путайте проявление инерции с причиной остановки: инерция объясняет сохранение движения, а трение — его изменение.

Разбор задач

Задача. Автобус резко затормозил. В каком направлении наклонится стоящий пассажир и почему? Предположим, что пассажир не держится за поручень и не успевает переставить ноги. Важно рассуждать относительно автобуса: его скорость уменьшается, а тело пассажира не может мгновенно изменить собственное движение. Числовые вычисления здесь не нужны — требуется применить определение инерции.

1. Определим состояние пассажира до торможения. Пока автобус ехал прямо, пассажир двигался вместе с ним в том же направлении. Следовательно, его тело имело движение вперёд относительно дороги, а не покоилось.
2. Выясним, что изменилось при торможении. Автобус стал двигаться медленнее, потому что его скорость изменилась под действием тормозящих сил. Тело пассажира стремится сохранить прежнее движение, поэтому его скорость не уменьшается так же быстро, как скорость автобуса.
3. Сравним движения пассажира и автобуса. Автобус замедляется под пассажиром, а тело по инерции продолжает двигаться вперёд. Поэтому относительно автобуса пассажир наклоняется вперёд, хотя относительно дороги он просто продолжает двигаться, постепенно меняя скорость под действием других тел.
4. Проверим вывод, изменив условие. Если бы автобус резко начал движение из состояния покоя, тело пассажира стремилось бы сохранить покой, а автобус уехал бы вперёд. Тогда пассажир отклонился бы назад относительно автобуса. Это подтверждает, что направление отклонения связано с прежним состоянием движения.

Ответ: при резком торможении пассажира наклонит вперёд относительно автобуса, потому что его тело стремится сохранить движение, которое имело до торможения. В реальности поручень, сиденье или ремень безопасности действуют на человека и меняют его движение. Поэтому пассажиру следует держаться за поручень, а в автомобиле пристёгиваться ремнём.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать инерцию силой. Инерция — явление сохранения движения, а не толкающая тело сила. Эту ошибку допускают, потому что говорят, будто тело «движется по инерции», и принимают выражение за название причины движения. Проверьте себя: назовите отдельное тело, которое действует на предмет; если такого воздействия нет, инерция сама не может быть действующей силой.
• Ошибка: думать, что без толчка движение сразу прекращается. Обычно предмет останавливают трение и сопротивление воздуха, поэтому кажется, что движение возможно лишь пока его кто-то толкает. Спросите себя, прокатился бы предмет дальше на более гладкой поверхности. Если да, значит, остановку вызывает воздействие, а не исчезновение инерции.
• Ошибка: утверждать, что тяжёлое тело всегда движется медленнее. Большая масса означает большую инертность, но сама по себе не задаёт скорость. Эту ошибку допускают, смешивая трудность изменения движения с быстротой движения. Для проверки сравните тела с разными массами: каждое может иметь и большую, и меньшую скорость.

Связь с другими темами

Инерция связана с движением и скоростью: чтобы понять, как тело сохраняет состояние, нужно знать, покоится оно или движется и меняется ли его скорость. Скорость меняется не только при разгоне и торможении, но и при повороте, потому что изменяется направление движения. Поэтому пассажира может наклонить и при резком повороте транспорта.

С темой массы инерция связана через инертность: при прочих равных условиях тело с большей массой труднее разогнать или остановить. Трение и сопротивление воздуха объясняют, почему реальные тела обычно не движутся бесконечно долго. Учитывая эти темы вместе, можно отделить стремление тела сохранять движение от воздействий, которые это движение меняют.

Что запомнить

• Инерция — явление сохранения покоя или равномерного прямолинейного движения.
• Чтобы изменить движение тела, требуется действие других тел.
• Трение и сопротивление воздуха меняют движение и часто приводят к остановке.
• Чем больше масса тела, тем оно инертнее; массу обозначают m и измеряют в килограммах.
• При торможении тело пассажира стремится двигаться вперёд, а при начале движения — сохранить покой.