Инерция в физике
Почему при резком торможении автобуса пассажиров бросает вперед, а шайба после удара продолжает скользить по льду? Разберемся, что такое инерция и по какому закону она проявляется
Когда автомобиль резко начинает движение, пассажира словно отбрасывает назад, а при внезапной остановке — вперед. Если выдернуть скатерть с накрытого стола, посуда может упасть вслед за ней. Но если сделать это достаточно быстро, тарелки и стаканы могут почти не сдвинуться с места. На первый взгляд эти ситуации совершенно разные, но объясняет их одно физическое явление — инерция.
С ней мы сталкиваемся постоянно, хотя обычно даже не замечаем этого. Вместе с преподавателем физики Артемом Островским разберемся, что такое инерция, какой закон описывает это явление, чем инерция отличается от инертности и где ее можно наблюдать в обычной жизни.
Что такое инерция в физике
Инерция — это явление, при котором тело сохраняет свою скорость, если на него не действуют другие тела или их действия скомпенсированы. Если тело находилось в покое, оно стремится сохранить состояние покоя, а если двигалось, то продолжить движение с прежней скоростью и в прежнем направлении.
Рассмотрим простой пример. Если толкнуть мяч по полу, он некоторое время будет катиться, а затем остановится. Может показаться, что для движения телу постоянно требуется сила. На самом деле мяч замедляется из-за взаимодействия с полом и воздухом. Если бы сопротивления движению не было, его скорость не уменьшалась бы сама по себе и мяч продолжал бы двигаться равномерно и прямолинейно.
Инерция проявляется и у тел, находящихся в покое. Например, книга, лежащая на столе, не начинает двигаться сама по себе. Она сохраняет состояние покоя до тех пор, пока воздействие другого тела не изменит его: например, пока книгу не толкнут или не поднимут.
Таким образом, инерция проявляется как при движении, так и в состоянии покоя: тело не изменяет свою скорость само по себе, для этого необходимо воздействие другого тела.
Понятие инерции рассматривается в школьных учебниках физики, входящих в Федеральный перечень1.
Полезная информация об инерции
Основные сведения по теме «Инерция» собрали в небольшой таблице. Она поможет быстро вспомнить, что называют инерцией, при каких условиях тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, какой закон описывает это явление и где его можно наблюдать.
| Характеристика инертности | Описание |
|---|---|
| Определение | Явление сохранения телом состояния покоя или равномерного прямолинейного движения |
| Когда проявляется | Когда на тело не действуют другие тела или их действия скомпенсированы |
| Если тело находится в покое | Оно сохраняет состояние покоя |
| Если тело движется | Оно сохраняет постоянную скорость и направление движения |
| Закон инерции | Тело сохраняет состояние покоя или движется равномерно и прямолинейно, если внешние воздействия отсутствуют или скомпенсированы |
| Связь с законами Ньютона | Первый закон Ньютона часто называют законом инерции |
Закон инерции
Долгое время считалось, что для поддержания движения на тело должна постоянно действовать сила. Пересмотреть это представление помогли работы Галилео Галилея. Он пришел к выводу, что если устранить причины, замедляющие тело, оно будет продолжать двигаться с постоянной скоростью.
Эта идея получила название закона инерции: тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела либо их действия скомпенсированы.
Позднее представление об инерции стало основой первого закона Ньютона, поэтому его также часто называют законом инерции. Однако формулировка Ньютона имеет важное дополнение: закон выполняется в определенных системах отсчета, которые называют инерциальными.
При этом для выполнения закона вовсе не обязательно, чтобы на тело вообще не действовали силы. Важно, чтобы их суммарное действие было равно нулю. Например, автомобиль может двигаться по прямой с постоянной скоростью: двигатель создает силу тяги, а движению препятствуют силы сопротивления. Если эти действия уравновешивают друг друга, скорость автомобиля остается постоянной.
Таким образом, сила нужна не для поддержания движения как такового, а для изменения скорости тела, а именно ее величины или направления. Именно эта идея стала одной из основ классической механики.
это интересно
Инерция и инертность тел
Слова инерция и инертность похожи, поэтому их нередко используют как синонимы. В физике между ними есть важное различие.
Инерция — это явление, при котором тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии нескомпенсированного внешнего воздействия.
Инертность — это свойство тела изменять свою скорость под действием силы. Чем больше масса тела, тем труднее изменить его скорость, поэтому масса служит мерой инертности.
Например, остановить катящийся теннисный мяч значительно проще, чем движущуюся с той же скоростью тяжелую тележку. Тележка обладает большей массой, а значит, и большей инертностью.
При этом неправильно говорить, что у тяжелой тележки «больше инерции». Инерция не является физической величиной, которую можно измерить и сравнить численно. В данном случае различается именно инертность тел.
Примеры инерции в жизни
Инерция проявляется практически при любом изменении движения окружающих нас тел. Некоторые ее примеры настолько привычны, что мы редко задумываемся об их физической причине.
Поездка в автомобиле или автобусе. Когда транспорт резко тормозит, тело пассажира стремится сохранить прежнее состояние движения, поэтому человека наклоняет вперед. При резком начале движения происходит обратное. Ноги начинают двигаться вместе с транспортом, а верхняя часть тела некоторое время стремится сохранить состояние покоя, поэтому кажется, что человека отбрасывает назад.
Ремни безопасности. При столкновении автомобиль может остановиться за очень короткое время, но тело пассажира по инерции продолжает двигаться вперед. Ремень удерживает человека и помогает изменить его скорость вместе с автомобилем, уменьшая риск тяжелых травм.
Выбивание ковра. При резком ударе ковер начинает двигаться, а частицы пыли по инерции стремятся сохранить состояние покоя. В результате они отделяются от поверхности.
Спорт. Футбольный мяч после удара продолжает катиться по полю, хоккейная шайба скользит по льду, а брошенный баскетбольный мяч движется после того, как перестал соприкасаться с рукой спортсмена. Во всех этих случаях тело продолжает движение без постоянного воздействия со стороны человека.
Посуда и скатерть. Если очень быстро и почти горизонтально выдернуть скатерть из-под стоящей на ней посуды, предметы стремятся сохранить состояние покоя. За короткое время сила трения не успевает значительно изменить их скорость, поэтому тарелки почти не смещаются.
Все эти примеры показывают одну общую закономерность: скорость тела не изменяется сама по себе. Чтобы изменить ее величину или направление, необходимо воздействие другого тела.
Задачи и ответы по теме «Инерция»
Инерция не имеет собственной расчетной формулы, поэтому большинство задач по этой теме требуют не вычислений, а понимания физического явления. Потренируемся объяснять поведение тел с точки зрения инерции, применять закон инерции и отличать инерцию от инертности. Сначала попробуйте ответить самостоятельно, а затем сверьтесь с решением.
Задача 1
Автобус движется с постоянной скоростью. На сиденье лежит небольшой мяч. Водитель резко тормозит. В какую сторону относительно автобуса начнет двигаться мяч и почему?
Решение и ответ к задаче 1
До торможения мяч двигался вместе с автобусом с той же скоростью. Когда автобус начинает резко замедляться, мяч по инерции стремится сохранить прежнюю скорость движения.
Поэтому относительно салона он начнет перемещаться вперед, то есть в направлении первоначального движения автобуса.
Ответ: вперед, поскольку по инерции мяч стремится сохранить прежнюю скорость движения
Задача 2
Автомобиль движется по прямой дороге с постоянной скоростью 60 км/ч. Известно, что на него действуют сила тяги двигателя и силы сопротивления движению. Можно ли считать, что такое движение соответствует закону инерции, несмотря на действие сил?
Решение и ответ к задаче 2
Да. Для выполнения закона инерции не требуется полного отсутствия сил. Важно, чтобы действия различных сил компенсировали друг друга.
Автомобиль движется прямолинейно с постоянной скоростью, значит, его скорость не изменяется. В рассматриваемой ситуации сила тяги уравновешивает силы сопротивления движению, поэтому их суммарное действие равно нулю.
Ответ: да, если сила тяги и силы сопротивления скомпенсированы
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Артем Островский, преподаватель курсов программирования и машинного обучения Московского физико-технического института:
Может ли тело двигаться по инерции бесконечно долго?
В идеализированных условиях — да. Если на движущееся тело не действуют другие тела либо все внешние воздействия полностью скомпенсированы, оно будет сохранять постоянную скорость и двигаться прямолинейно неограниченно долго.
В повседневной жизни такую ситуацию получить практически невозможно. Движущимся предметам обычно мешают сила трения, сопротивление воздуха и другие воздействия. Поэтому велосипед перестает катиться, мяч останавливается, а шайба постепенно теряет скорость.
Именно поэтому реальные наблюдения долгое время могут создавать ошибочное впечатление, будто любое движение обязательно должно постоянно поддерживаться силой.
В повседневной жизни такую ситуацию получить практически невозможно. Движущимся предметам обычно мешают сила трения, сопротивление воздуха и другие воздействия. Поэтому велосипед перестает катиться, мяч останавливается, а шайба постепенно теряет скорость.
Именно поэтому реальные наблюдения долгое время могут создавать ошибочное впечатление, будто любое движение обязательно должно постоянно поддерживаться силой.
Как инерция связана с первым законом Ньютона?
Первый закон Ньютона является строгой формулировкой закона инерции в классической механике. Он утверждает существование инерциальных систем отсчета — таких систем, относительно которых тело сохраняет состояние покоя или движется равномерно и прямолинейно, если действия других тел отсутствуют или скомпенсированы.
Поэтому первый закон Ньютона часто называют законом инерции. При этом понятие инерции шире в историческом смысле: представление о сохранении движения возникло еще до Ньютона и развивалось, в частности, в работах Галилея.
Поэтому первый закон Ньютона часто называют законом инерции. При этом понятие инерции шире в историческом смысле: представление о сохранении движения возникло еще до Ньютона и развивалось, в частности, в работах Галилея.
Почему тему по физике «Инерция» изучают в 7 классе?
Инерция относится к базовым понятиям механики и помогает перейти от простого описания движения к пониманию его причин. К этому моменту школьники уже знакомятся с механическим движением, скоростью и взаимодействием тел, поэтому могут разобраться, почему тело сохраняет или изменяет свое состояние движения.
Тема особенно удобна для первого знакомства с законами механики, потому что ее легко наблюдать в обычной жизни: в движущемся транспорте, при катании мяча или резком перемещении предметов. В дальнейшем представление об инерции понадобится при изучении законов Ньютона, силы, массы и других тем механики.
Ученики знакомятся с явлением инерции в 7 классе при изучении механического движения и взаимодействия тел согласно Федеральной рабочей программе по физике.2
Тема особенно удобна для первого знакомства с законами механики, потому что ее легко наблюдать в обычной жизни: в движущемся транспорте, при катании мяча или резком перемещении предметов. В дальнейшем представление об инерции понадобится при изучении законов Ньютона, силы, массы и других тем механики.
Ученики знакомятся с явлением инерции в 7 классе при изучении механического движения и взаимодействия тел согласно Федеральной рабочей программе по физике.2
В каких заданиях ОГЭ и ЕГЭ по физике встречается инерция?
На ОГЭ инерция может встречаться в качественных заданиях по механическим явлениям, где необходимо объяснить поведение тела при начале движения, торможении или изменении скорости транспорта, определить причину наблюдаемого явления либо применить первый закон Ньютона.
На ЕГЭ само слово инерция не обязательно будет главным в условии. Понимание этого явления необходимо при работе с законами Ньютона и анализе движения тел, например когда нужно определить, может ли тело двигаться с постоянной скоростью при действии нескольких сил или установить условия их компенсации.
Поэтому при подготовке к экзаменам важно не просто запомнить определение инерции, а понимать главное: если скорость тела изменяется, значит, действие других тел не скомпенсировано, если равнодействующая сил равна нулю, скорость тела остается постоянной.
Задания, для решения которых необходимо понимать явление инерции и законы Ньютона, представлены в экзаменационных материалах и Открытом банке заданий ФИПИ.3
На ЕГЭ само слово инерция не обязательно будет главным в условии. Понимание этого явления необходимо при работе с законами Ньютона и анализе движения тел, например когда нужно определить, может ли тело двигаться с постоянной скоростью при действии нескольких сил или установить условия их компенсации.
Поэтому при подготовке к экзаменам важно не просто запомнить определение инерции, а понимать главное: если скорость тела изменяется, значит, действие других тел не скомпенсировано, если равнодействующая сил равна нулю, скорость тела остается постоянной.
Задания, для решения которых необходимо понимать явление инерции и законы Ньютона, представлены в экзаменационных материалах и Открытом банке заданий ФИПИ.3
5 тем по механике, которые помогут лучше понять движение тел
- Равноускоренное движение: как описывают движение тела, скорость которого изменяется с течением времени
- Импульс тела: как масса и скорость определяют импульс движущегося тела
- Сила тяжести: почему тела притягиваются к Земле и от чего зависит действующая на них сила
- Вес тела: чем вес отличается от силы тяжести и в каких случаях он может изменяться
- Момент силы: как сила может изменять вращательное движение тела и от чего зависит ее действие
Источники
Материал статьи составлен в соответствии с официальными документами и рекомендациями:
1. Министерство просвещения России. Федеральный перечень учебников. URL: https://fpu.edu.ru/
- Перышкин И. М., Иванов А. И. «Физика. 7 класс. Базовый уровень»
- Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. «Физика. 10 класс. Базовый и углубленный уровни»
- Касьянов В. А. «Физика. 10 класс. Углубленный уровень»
2. Министерство просвещения России. Федеральная рабочая программа по учебному предмету «Физика». URL: https://static.edsoo.ru/projects/fop/index.html#/sections/200222
3. Федеральный институт педагогических измерений. Открытый банк заданий ОГЭ и ЕГЭ по физике. Методические рекомендации для учителей. URL: https://fipi.ru/
