Головна ⇒ 📌Фізика ⇒ ЯВИЩЕ ІНЕРЦІЇ. ІНЕРТНІСТЬ ТІЛА

ЯВИЩЕ ІНЕРЦІЇ. ІНЕРТНІСТЬ ТІЛА

Розділ 3 ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА

Дайте мені точки опри і я переверну Землю

Архімед

Розглядаючи різні рухи тіл, ми до цього часу не звертали увагу на те, чому і як довго тіла можуть залишатися у спокої, що спричинює зміну їхньої швидкості та напрямку руху. Проте, щоб визначати положення тіла (автомобіля, міжпланетної станції, корабля) у той чи інший момент часу, необхідно знати, як воно рухатиметься за тих чи інших умов. У цьому розділі ви познайомитесь з причинами, які визначають той чи інший характер руху тіл.

&

24. ЯВИЩЕ ІНЕРЦІЇ. ІНЕРТНІСТЬ ТІЛА

За яких умов тіло перебуває у спокої? Закріпимо один кінець пружини в лапці штатива так, щоб її другий кінець вільно звисав. Причепимо до нього тягарець і відпустимо (мал. 3.1). Під дією земного тяжіння тягарець почне рухатися вниз. Оскільки верхній кінець пружини закріплений, то, діючи на її нижній кінець, тягарець змінить швидкість її частин, починаючи з нижнього кінця. Пружина розтягується (деформується) і, в свою чергу, починає діяти на тягарець. Через деякий час рух тягарця припиниться і він набуде стану спокою. Уявимо на мить, що зникло земне тяжіння. Що стане з тягарцем?

Він під дією пружини, яка почне скорочуватися, почне рухатися вгору – змінить свою швидкість.

Книжка на столі, м’яч на підлозі спортивної зали перебувають у спокої, бо на них одночасно й у протилежних напрямках діють Земля, притягуючи до себе, і стіл або підлога, на яких вони знаходяться. Якщо якась дія на тіло (книжку, м’яч, тягарець) не буде зрівноважена такою самою дією з боку іншого тіла (стола, підлоги, пружини), то тіло змінить свою швидкість. Унаслідок удару ноги хлопчика м’яч почне рухатися. Штовхніть тягарець, що висить на пружині, пальцем – він теж почне рухатися. Зрозуміло, якщо на тіло не діють ніякі інші тіла, то воно залишатиметься у спокої як завгодно довго.

Мал. 3.1

Тіло може перебувати у спокої відносно інших тіл, якщо на нього не діють інші тіла, або якщо дії інших тіл зрівноважені (компенсуються).

За яких умов тіло може рухатися рівномірно й прямолінійно? Набутий досвід підказує, щоб тіло рухалося, на нього повинно діяти інше тіло. Щоб пересунути шафу, її потрібно увесь час штовхати. Приходимо до висновку: рух тіла можливий лише внаслідок дії одного тіла на інше. Так вважав і давньогрецький філософ Аристотель. Проте звернімось до досліду. Встановимо похилий жолоб на рівну горизонтальну поверхню і насиплемо перед ним гірку піску (мал. 3.2). Покладемо металеву кульку на вершину жолоба і відпустимо. Скотившись із жолоба, кулька потрапляє на пісок і майже відразу зупиняється. Якщо пісок розсипати тонким шаром і знову пустити кульку – його дія на кульку зменшиться й вона прокотиться далі.

Скотившись із жолоба на рівну горизонтальну поверхню демонстраційного стола, кулька продовжує рухатися до його кінця без помітної зміни своєї швидкості. Якщо продовжити уявно “усувати” дію тіл, що впливають на рух кульки (поверхні стола, повітря, притягання Землі), то можна дійти висновку: за відсутності дії на тіло інших тіл (або якщо ці дії компенсуються) тіло рухатиметься прямолінійно й рівномірно як завгодно довго.

А як же наш досвід пересування шафи? Як не дивно, він підтверджує висновок, якого дійшли на підставі досліду з кулькою і піском. Для рівномірного руху шафи необхідно, щоб на неї не діяли інші тіла або їх дія повинна бути скомпенсованою. Людина, штовхаючи шафу, компенсує дію, яку чинить підлога під час руху по ній шафи (мал. 3.3). Якщо підлогу змочити, то для пересування шафи потрібно прикладати значно менше зусилля. Шафу можна поставити на “повітряну подушку” – спеціальну платформу, під яку нагнітають повітря. Тоді від найменшого поштовху платформа з шафою починають

Мал. 3.2

Мал. 3.3

Рухатись. Такі платформи з “повітряними подушками” для переміщення великих вантажів уже використовують у техніці. Запущені до далеких планет космічні станції протягом багатьох місяців, а то й років, продовжують свій рух з вимкненими двигунами. Вони не зазнають протидії з боку навколишнього середовища. Щоб змінити їх швидкість або напрямок руху, у потрібний момент на певний час вмикають ракетні двигуни. Станції змінюють характер свого руху, коли, наблизившись до планети, зазнають впливу поля її тяжіння.

Інерція. Ви їдете в автомобілі по рівній дорозі зі сталою швидкістю, наприклад, 80 . Автомобіль рухається рівномірно, оскільки опір, який чинять його рухові дорога та повітря, компенсується силою тяги двигуна. Коли двигун вимкнути, автомобіль продовжить ще деякий час рухатися. Але з часом неврівноважений тягою двигуна вплив дороги й повітря призведе до поступового зменшення його швидкості й автомобіль зупиниться.

На підставі результатів спостережень і дослідів Г. Галілей дійшов висновку, що тіла завжди намагаються зберегти свій стан спокою або рівномірного й прямолінійного руху. Щоб тіло змінило свою швидкість або напрямок руху, на нього повинні подіяти інші тіла. Властивість тіл зберігати свою швидкість і змінювати її тільки внаслідок дії на них інших тіл називається інерцією (від лат. inertia – бездіяльність). Тому цей закон часто називають законом інерції.

Відкриття закону інерції – перший крок у встановленні основних законів механіки. У кінці XVII ст. видатний англійський фізик Ісаак Ньютон сформулював загальні закони механічного руху, серед яких і закон інерції як перший закон механіки.

Якщо на тіло не діють інші тіла, або дії усіх інших тіл урівноважуються, то тіло зберігає стан спокою або рухається рівномірно й прямолінійно.

Інертність. Інерція притаманна усім тілам: гумовому човну й навантаженій баржі, автомобілю, що перевозить великий вантаж або їде без вантажу, потягу й легенькій порошинці. Проте від легкого поштовху гумовий човен одразу набуває швидкості. Щоб помітно змінити швидкість баржі, слід діяти на неї тривалий час. Гальмівний шлях автомобіля з вантажем і час, потрібний для його зупинки, значно більші, ніж у випадку, коли той самий автомобіль їде без вантажу з тією самою швидкістю. Ще більше часу потрібно, щоб загальмувати вантажний потяг. Удар ногою по м’ячу нічим нам не загрожує – м’яч майже миттєво набуває руху, змінюючи свою швидкість. Але навряд чи хто ризикне так само вдарити ногою по залізному ядру чи цеглині. За короткий час, протягом якого триває удар, ядро не встигає істотно змінити свій стан спокою. Тіла, яким потрібно більше часу, щоб за однакової дії змінити свою швидкість на ту ж величину, називають більш інертними.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. За яких умов тіло може перебувати у спокої?

2. За яких умов тіло може рухатися рівномірно і прямолінійно?

3. Що є причиною зміни швидкості руху тіл?

4. Наведіть приклади тіл, які рухаються рівномірно і прямолінійно, а які знаходяться у спокої? Вкажіть, які інші тіла діють на них?

5. У яких випадках тіла змінюють свою швидкість?

6. Як виявляється інерція тіл?

7. Чому не можна перебігати вулицю перед рухомим транспортом?

8. Чому автомобіль із несправними гальмами забороняється буксирувати, використовуючи гнучкий трос?

9. Чому перед тим як загальмувати, водій автомобіля вмикає заднє червоне світло?

10. Коли рубають дрова, сокира інколи застряє в поліні. На мал. 3.5 показано, якими двома способами у такому випадку можна розколоти поліно. Поясніть їх.

11. Поясніть, чому під час набивання сокири на топорище б’ють по топорищу (мал. 3.6).

12. Візьміть аркуш паперу. Поклавши один його кінець на край стола, поставте на нього склянку з водою. Утримуючи другий кінець аркуша, швидко вдарте ребром долоні по ньому. Він вислизне з-під склянки, а вона залишиться на місці (мал. 3.7). Поясніть результат досліду. (Щоб потренуватися в проведенні досліду, використайте спочатку пластиковий стаканчик.)

Мал. 3.5

Мал. 3.6

Мал. 3.7

Мал. 3.8

На мал. 3.8 показано ще два варіанти досліду, що демонструє інерційні властивості тіл. Для проведення досліду використайте монету або сталеву кульку, прищіпку для білизни, склянку та шматочок картону або поштову листівку.

Закон інерції справджується лише у випадку, коли тіла, відносно яких ми спостерігаємо рух, самі знаходяться у спокої або рухаються прямолінійно й рівномірно. За таких умов, прокинувшись, наприклад, уночі в каюті теплохода, якщо не видно берега, неможливо визначити, чи рухається теплохід, чи вже стоїть біля причалу. Усі явища, які ви спостерігаєте в каюті, відбуваються однаково – незалежно від того, рухається він чи стоїть на місці.

Ця особливість була помічена й описана Г. Галілеєм у книзі “Діалог про дві найголовніші системи світу – птоломеївську та коперникову”:

“Усамітніться з кимось із друзів у просторому приміщенні під палубою корабля. Запасіться мухами, метеликами й іншими дрібними комахами, які літають. Візьміть велику посудину з водою, в якій плавають маленькі рибки. Підвісьте вгорі цеберко, з якого вода крапля за краплею падатиме в посудину з вузьким горлечком, підставлену знизу. Поки корабель стоїть нерухомо, зважте: швидкість дрібних комах та рибок однакова в усіх напрямках; усі краплі, падаючи, потраплять у підставлену посудину, і вам не доводиться докладати більше сили, кидаючи будь-який предмет в один бік, ніж в інший. Якщо ви будете виконувати стрибки відразу обома ногами, то їх довжина буде однакова у будь-якому напрямку. Уважно підмічайте все це, хоча б у вас і не виникало ніякого сумніву, що поки корабель стоїть нерухомо, все має відбуватися саме так.

Нехай тепер корабель рухається з будь-якою швидкістю, і в цьому разі (якщо тільки рух буде рівномірним і без хитавиці) в усіх наведених випадках ви не виявите ні найменшої зміни, за жодним з них не зможете з’ясувати, рухається корабель чи ні. Виконуючи стрибки, ви будете переміщатися на таку саму відстань, що й раніше. Ваші стрибки у бік корми не будуть

Довшими, чим у бік носа, на тій лише підставі, що корабель швидко рухається, хоча доти, поки ви будете в повітрі, підлога під вами рухатиметься у бік, протилежний вашому стрибку. Кидаючи яку-небудь річ товаришеві, коли він знаходиться на носі, а ви на кормі, ви не повинні прикладати більшого зусилля, ніж коли ваше взаємне розташування зворотне. Краплі, як і раніше, падатимуть у нижню посудину, жодна не впаде ближче до корми, хоча, поки крапля перебуває в повітрі, корабель пройде велику відстань. Риби у воді не з більшим зусиллям будуть плисти до передньої частини судна ніж до задньої, однаково моторно вони кинуться до їжі, покладеної в якій завгодно частині посудини… Причина ідентичності всіх цих явищ полягає в тому, що рух корабля однаковий як для всіх предметів, які перебувають на ньому, так і для повітря в каюті…”