Setrvačnost - Inertia

Část série na
Klasická mechanika
${\ displaystyle {\ textbf {F}} = {\ frac {d} {dt}} (m {\ textbf {v}})}$ Druhý pohybový zákon
Dějiny Časová osa Učebnice
Pobočky
Základy
Formulace
Základní témata
Otáčení
Vědci
Fyzikální portál  Kategorie
proti t E

Setrvačnost je odpor jakéhokoli fyzického objektu vůči jakékoli změně jeho rychlosti . To zahrnuje změny rychlosti nebo směru pohybu objektu. Aspektem této vlastnosti je tendence objektů neustále se pohybovat v přímém směru konstantní rychlostí, když na ně nepůsobí žádné síly .

Setrvačnost pochází z latinského slova iners , což znamená nečinný, pomalý. Setrvačnost je jedním z primárních projevů hmoty , což je kvantitativní vlastnost fyzických systémů . Isaac Newton definoval setrvačnost jako sílu, před svým prvním zákonem v monumentálním Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica . Tam člověk čte:

DEFINICE III. VIS insita nebo vrozená síla hmoty, je síla odporu, kterou každý subjekt, stejně jako v leží, se snaží setrvat ve svém současném stavu, ať už se jedná o klidu nebo pohybu rovnoměrně vpřed v pravém řádku.

Po několika dalších definicích uvádí Newton (na straně 83) svůj první pohybový zákon:

ZÁKON I. Každé tělo setrvává ve svém klidovém stavu nebo rovnoměrném pohybu v pravé linii, pokud není nuceno změnit tento stav silami, které na něj působí.

Všimněte si, že Newton využívá aktivní verbální formu „vytrvat“, spíše než jiné pasivní formy jako „pokračovat“ nebo „zůstat“, které se běžně vyskytují v moderních učebnicích. To vyplývá z některých změn v Newtonově původní mechanice (jak je uvedeno v Principia) provedených Eulerem, d'Alembertem a dalšími karteziány.

V běžném používání se termín „setrvačnost“ může vztahovat k „velikosti odporu objektu vůči změně rychlosti“ nebo jednodušeji k „odporu vůči změně pohybu“ (který je kvantifikován jeho hmotností) nebo někdy k jeho hybnosti. , v závislosti na kontextu. Pojem „setrvačnost“ je vhodněji chápán jako zkratka pro „princip setrvačnosti“, jak ho popsal Newton ve svém prvním pohybovém zákoně uvedeném výše, podle kterého se předmět bude dál pohybovat aktuální rychlostí, dokud nějaká síla nezpůsobí jeho rychlost. nebo směr, který se má změnit.

Na povrchu Země je setrvačnost často maskována gravitací a účinky tření a odporu vzduchu , přičemž oba mají tendenci snižovat rychlost pohybujících se předmětů (obvykle do bodu klidu). To uvedlo filozofa Aristotela v omyl, že věřil, že předměty se budou pohybovat jen tak dlouho, dokud na ně bude působit síla.

Princip setrvačnosti je jedním ze základních principů klasické fyziky, které se dodnes používají k popisu pohybu předmětů a toho, jak na ně působí aplikované síly na ně.

Historie a vývoj konceptu

Rané porozumění pohybu

Mozi , což byl starověký filozofický text z Číny v období válčících států , byl první, kdo popsal myšlenku setrvačnosti, jak je uvedeno v nálezech sinologa Josepha Needhama . Na západě před renesancí byla nejvíce přijímaná teorie pohybu v západní filozofii založena na Aristotelovi, který kolem roku 335 př. N. L. Až 322 př. N. L. Řekl, že při absenci vnější hybné síly by všechny objekty (na Zemi) přišly odpočinek a že pohybující se objekty se pohybují pouze tak dlouho, dokud je k tomu přiměje síla. Aristoteles vysvětlil pokračující pohyb projektilů, které jsou od jejich projektoru odděleny, působením okolního média, které projektil dále nějakým způsobem pohybuje. Aristoteles dospěl k závěru, že takový násilný pohyb v prázdnotě není možný.

Přes jeho obecné přijetí, Aristotelova koncepce pohybu byla několikrát sporná významnými filozofy po téměř dvě tisíciletí . Například Lucretius (pravděpodobně podle Epikura ) uvedl, že „výchozí stav“ hmoty byl pohyb, nikoli stagnace. V 6. století kritizoval John Philoponus nesoulad mezi Aristotelovou diskusí o střelách, kde médium udržuje projektily v chodu, a jeho diskusí o prázdnotě, kde by médium bránilo pohybu tělesa. Philoponus navrhl, aby pohyb nebyl udržován působením okolního média, ale nějakým majetkem, který byl objektu dán, když byl uveden do pohybu. Ačkoli to nebyl moderní koncept setrvačnosti, protože stále byla potřeba síla udržet tělo v pohybu, ukázalo se to jako zásadní krok tímto směrem. Tento názor byl silně oponován Averroesem a mnoha scholastickými filozofy, kteří podporovali Aristotela. Tento pohled však nezůstal v islámském světě , kde měl Philoponus několik příznivců, kteří dále rozvíjeli jeho myšlenky, nezpochybnitelný .

V 11. století perský polymath Ibn Sina (Avicenna) tvrdil, že projektil ve vakuu se nezastaví, pokud se nebude jednat.

Teorie impulsu

Ve 14. století Jean Buridan odmítl představu, že by se vlastnost generující pohyb, kterou pojmenoval impuls , samovolně rozptýlila. Buridanova pozice spočívala v tom, že pohybující se předmět bude zastaven odporem vzduchu a hmotností těla, což by bylo proti jeho impulsu. Buridan také tvrdil, že impuls rostl s rychlostí; jeho počáteční myšlenka impulsu byla tedy v mnoha ohledech podobná modernímu pojetí hybnosti. Navzdory zjevným podobnostem s modernějšími představami o setrvačnosti viděl Buridan svou teorii pouze jako modifikaci Aristotelovy základní filozofie, přičemž si zachoval mnoho dalších peripatetických názorů, včetně přesvědčení, že stále existuje zásadní rozdíl mezi předmětem v pohybu a objektem v klidu . Buridan také věřil, že impuls může mít nejen lineární, ale také kruhový charakter, což způsobuje pohyb objektů (například nebeských těles) v kruhu.

Na Buridanovu myšlenku navázal jeho žák Albert Saský (1316–1390) a Oxfordské kalkulačky , kteří prováděli různé experimenty, které dále podkopávaly klasický, aristotelský pohled. Jejich práci zase vypracovala Nicole Oresme, která byla průkopníkem praxe demonstrace pohybových zákonů ve formě grafů.

Krátce před Galileovou teorií setrvačnosti Giambattista Benedetti upravil rostoucí teorii impulsu tak, aby zahrnovala pouze lineární pohyb:

„… [Jakákoli] část tělesné hmoty, která se sama pohybuje, když na ni impuls zapůsobila jakákoli vnější hybná síla, má přirozený sklon pohybovat se po přímočaré, nikoli zakřivené dráze.“

Benedetti uvádí pohyb skály v závěsu jako příklad inherentního lineárního pohybu objektů, nutených do kruhového pohybu.

Klasická setrvačnost

Podle historika vědy Charlese Coulstona Gillispieho setrvačnost „vstoupila do vědy jako fyzický důsledek Descartovy geometrizace vesmírné hmoty v kombinaci s neměnností Boha“.

Princip setrvačnosti, který vznikl u Aristotela pro „pohyby v prázdnotě“, říká, že předmět má tendenci odolat změně pohybu. Podle Newtona objekt zůstane v klidu nebo zůstane v pohybu (tj. Udrží si svoji rychlost), pokud na něj nebude působit čistá vnější síla, ať už je výsledkem gravitace , tření , kontaktu nebo nějaké jiné síly. Aristotelské rozdělení pohybu na pozemské a nebeské se stalo stále problematičtějším vzhledem k závěrům Mikuláše Koperníka v 16. století, který tvrdil, že Země nikdy není v klidu, ale ve skutečnosti je v neustálém pohybu kolem Slunce. Galileo ve svém dalším vývoji Copernicanova modelu rozpoznal tyto problémy s tehdy přijatou povahou pohybu a alespoň částečně v důsledku toho zahrnul přepracování Aristotelova popisu pohybu v prázdnotě jako základního fyzikálního principu:

Tělo pohybující se na rovném povrchu bude pokračovat stejným směrem konstantní rychlostí, pokud nebude rušeno.

Galileo píše, že „všechny vnější překážky odstraněny, těžké těleso na sférickém povrchu soustředném se Zemí se udrží v takovém stavu, v jakém bylo; pokud se například uvede do pohybu směrem na západ (například), udrží se v tom, že hnutí." Tento pojem, který historici vědy nazývají „kruhová setrvačnost“ nebo „horizontální kruhová setrvačnost“, je předchůdcem, ale odlišný od Newtonova pojmu přímočaré setrvačnosti. Pro Galilea je pohyb „ horizontální “, pokud nenese pohybující se těleso směrem ke středu Země nebo od něj, a pro něj „by se například loď, která kdysi dostala nějaký impuls přes klidné moře, pohybovala nepřetržitě po celém světě, aniž bychom se zastavili. "

Je také třeba poznamenat, že Galileo později (v roce 1632) dospěl k závěru, že na základě tohoto počátečního předpokladu setrvačnosti není možné rozeznat rozdíl mezi pohybujícím se objektem a stacionárním bez jakéhokoli vnějšího odkazu, s nímž by bylo možné jej porovnat. Toto pozorování se nakonec stalo základem pro Alberta Einsteina k rozvoji teorie speciální relativity .

Prvním fyzikem, který se zcela odtrhl od aristotelského modelu pohybu, byl v roce 1614 Isaac Beeckman .

Pojmy setrvačnosti v Galileových spisech by později přišel být upřesněn, upraven a kodifikován Isaacem Newtonem jako první z jeho pohybových zákonů (poprvé publikován v Newtonově díle, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , v roce 1687):

Každé tělo vytrvá ve svém klidovém stavu nebo rovnoměrném pohybu v pravé linii, pokud není nuceno změnit tento stav silami, které na něj působí.

Od počátečního vydání se Newtonovy zákony pohybu (a zahrnutím tento první zákon) staly základem pro obor fyziky známý jako klasická mechanika .

Pojem „setrvačnost“ poprvé představil Johannes Kepler ve svém Epitome Astronomiae Copernicanae (publikováno ve třech částech v letech 1617–1621); význam Keplerova pojmu (který odvodil z latinského slova pro „nečinnost“ nebo „lenost“) však nebyl zcela stejný jako jeho moderní interpretace. Kepler definoval setrvačnost pouze ve smyslu odporu vůči pohybu, opět na základě domněnky, že odpočinek je přirozený stav, který nepotřebuje vysvětlení. Teprve pozdější práce Galilea a Newtona sjednotily odpočinek a pohyb v jednom principu, že termín „setrvačnost“ mohl být aplikován na tyto pojmy tak, jak je tomu dnes.

Přesto, přestože Newton ve svých pohybových zákonech definoval koncept tak elegantně, ani Newton ve skutečnosti nepoužíval termín „setrvačnost“ k označení svého prvního zákona. Ve skutečnosti Newton původně jev, který popsal ve svém prvním zákonu pohybu, považoval za způsobený „vrozenými silami“ vlastní hmotě, která odolávala jakémukoli zrychlení. Vzhledem k této perspektivě a půjčování si od Keplera, Newton připisoval výraz „setrvačnost“ ve smyslu „vrozené síly, kterou má předmět, který odolává změnám v pohybu“; Newton tedy definoval „setrvačnost“ tak, aby znamenala příčinu jevu, nikoli samotný jev. Nicméně Newtonovy původní představy o „vrozené odporové síle“ byly v konečném důsledku problematické z různých důvodů, a proto většina fyziků již v těchto pojmech nepřemýšlí. Protože nebyl alternativně přijat žádný alternativní mechanismus a nyní se obecně uznává, že nemusí existovat žádný, který můžeme znát, termín „setrvačnost“ začal znamenat spíše samotný fenomén než jakýkoli vlastní mechanismus. Nakonec tedy „setrvačnost“ v moderní klasické fyzice začala být pojmenována po stejném jevu popsaném Newtonovým prvním pohybovým zákonem a tyto dva pojmy jsou nyní považovány za ekvivalentní.

Relativita

Albert Einsteinova teorie speciální relativity , jak byla navržena v jeho článku z roku 1905 s názvem „ O elektrodynamice pohybujících se těles “, byla postavena na pochopení inerciálních referenčních rámců vyvinutých Galileem a Newtonem. Zatímco tato revoluční teorie významně změnila význam mnoha newtonovských konceptů, jako je hmotnost , energie a vzdálenost , Einsteinův koncept setrvačnosti zůstal nezměněn od původního Newtonova smyslu. To však mělo za následek omezení vlastní speciální relativitě: princip relativity se mohl vztahovat pouze na setrvačné referenční rámce. K vyřešení tohoto omezení vyvinul Einstein svou obecnou teorii relativity („The Foundation of the General Theory of Relativity“, 1916), která poskytla teorii zahrnující neinerciální (zrychlené) referenční rámce.

Rotační setrvačnost

Veličina související se setrvačností je rotační setrvačnost (→ moment setrvačnosti ), vlastnost, že rotující tuhé těleso udržuje svůj stav rovnoměrného rotačního pohybu. Jeho moment hybnosti zůstává nezměněn, pokud není použit vnější krouticí moment ; tomu se také říká zachování momentu hybnosti. Rotační setrvačnost je často zvažována ve vztahu k tuhému tělesu. Gyroskop například používá vlastnost, že odolává jakékoli změně osy otáčení.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy

• Proč se Země točí? (Youtube)