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浅谈惯性力

 阿里山图书馆 2023-08-04 发布于北京


惯性力是指当物体加速时,惯性会使物体有保持原有运动状态的倾向,若是以该物体为坐标原点,看起来就彷佛有一股方向相反的力作用在该物体上,因此称之为惯性力。因为惯性力实际上并不存在,实际存在的只有原本将该物体加速的力,因此惯性力又称为假想力。例如,当公车煞车时,车上的人因为惯性而向前倾,在车上的人看来彷佛有一股力量将他们向前推,即为惯性力。然而只有作用在公车的煞车以及轮胎上的摩擦力使公车减速,实际上并不存在将乘客往前推的力,这只是惯性在不同坐标系统下的现象。

物体由于具有惯性,受到外力时会产生一个反作用力。质量大的物体惯性大,受到的惯性力也大,质量小的物体惯性小,受到的惯性力也小。物体受到的力f=ma,物体受到的惯性力f=-ma.受到的力与惯性力方向相反数值相等。惯性力也使物体产生加速度,当物体与参照系接触时,由于受到惯性力而对参照系产生压力时,此物体才会有受力的感觉。

比如说宇宙飞船,假如这里脱离了任何天体的引力,飞船在靠惯性飞行。那么飞船里的人和一切物体都处于失重状态,可以飘在空中,从手里松开的任何东西也不会往下落。如果飞船又开动了火箭,以一定的加速度向前飞行,那么飞船里的人又感到有了重量,原来在空中漂浮的东西又纷纷加速下落的情形。这说的是物体受到惯性力加速下落的情形。如果把飞船看作加速系统,那么人对飞船地板的压力的大小等于地板使人做加速运动的力,因而力的大小反映了人的惯性质量。如果把飞船看作加速系统,人对地板的压力可以看作是人在加速系中受到惯性力产生的。在飞船中,人对飞船地板的压力与飞船地板对人的支持力是一对作用力与反作用力。人对地板的压力可以看作是人受到惯性力产生的。把飞船看作施力物体,飞船地板对人的支持力可以看作飞船施的力。惯性力与支持力合力为零。质量大的物体受到的惯性力大, 质量小的物体受到的惯性力小。加速度不同时,受到的惯性力不同。在施力物体看来,受力物体具有惯性,当运动状态发生改变时,受力物体需要力。当施力物体与受力物体相接触受力物体产生加速度时,例如,施力物体飞船,受力物体飞船里的人,从惯性力的角度分析,受力物体受到惯性力,质量大的物体受到惯性力大, 质量小的物体惯性力小,因惯性力而产生的对施力物体的力也就大或小,在施力物体看来,改变受力物体运动状态时,产生相同的加速度,质量大的物体需要的力大,质量小的物体需要的力小。我们知道,在车厢里的桌面上放一个小球(火车匀速直线运动)。相对于车厢参照系来说,小球保持静止。小球所受合外力为零,现在设想车厢开始向右做加速运动,在车厢里观测,小球将向左做加速运动,而小球并没有受到其他物体的作用力。自由落体中,物体实实在在受到引力了,不过在自由落体看来,物体不受力,对外不产生力。由于力是物体对物体相互作用,物体对外对其他物体不产生力时,物体不受力。物体不受力时,物体具有保持静止或匀速直线运动的性质。

说物体运动,要说明这个物体对谁运动,就要选一个参照物,即参考系。牛顿力学中,把地球或相对地球静止或匀速直线运动的参考系叫做惯性参考系,把相对于惯性参考系作变速运动的参考系叫做非惯性参考系。一般地,这两种参考系只是作为理论基础提出,在实际的力的问题中并不涉及,倒是需要经常指明物体做何种运动。由于用到惯性力概念,就要把物体作什么运动产生惯性力表述清楚。物体的惯性是保持静止状态或匀速直线运动状态,物体在这种运动状态下叫做惯性运动。物体处于相对静止状态可看作速度等于零的惯性运动,作惯性运动的物体上的合外力等于零,运动不发生改变,物体上不产生惯性力。物体相对于地球或某个惯性参考系做变速运动,叫做非惯性运动。作非惯性运动的物体上的合外力不为零,运动发生改变,物体上产生惯性力。牛顿力学没有非惯性运动的概念,把物体作变速运动叫做惯性运动,乃至给实际应用带来麻烦和混乱。我们站在公共汽车里,在汽车启动加速或刹车减速时,我们的身体会发生向前或向后的倾倒,感觉到似乎有一种力作用在身上。人们对这种现象习以为常,并且把这种现象叫惯性或惯性现象。把惯性力叫做虚拟力,就是误解了惯性现象而得出“找不到施力物体和没有反作用力”的结论。这是一个错误的结论。汽车突然变速,人的脚受摩擦力不移动,身体上还保持原来的运动状态,所以身体要倾倒,人身体上并没有产生惯性力。假设汽车的底板是光滑的,人站在车里,当汽车启动加速时,人体保持惯性运动要向车尾滑动,当人正巧坐到车后排座上时,身体会压紧座椅靠背,这时人体上才有惯性力的作用。汽车与人的例子可以说明,物体在作加速运动的非惯性系内,若在运动方向上不受约束,物体仍作惯性运动;只有物体受约束被迫随非惯性系一同运动时,物体上才产生惯性力。

惯性力在技术上有着广泛的应用。

炮弹上安装的惯性引信是应用惯性力的一个例子。当炮弹撞击目标时,弹体收到阻力而减速,而由于受到向前的惯性力,弹簧急剧压缩而引起炮弹爆炸。惯性导航系统是惯性力应用的另一个例子。舰船在海上航行,由于受到风力和海流等外界影响,航向会发生变化,如果不经常测定和修正航向,舰船就不能顺利到达目的地。

近代导航仪器已经广泛应用于舰船、飞机、导弹等各种载体上。由于科学技术的发展,已经有了原理不同于惯性导航的星光导航、无线电导航、卫星导航等仪器设备,目前的主要导航系统仍然采用惯性导航系统。随着科学技术的不断进步,人类在各个科学领域不断探索,惯性力的应用也不断的有新的发现,在生产、军事、卫生、航天等各个领域也发挥着越来越重要的作用。

在研究地球表面大气、水等的运动时,经常应用的地转偏向力就是一种惯性力。在宇宙科学上研究星体运动时也有很大用途,如当小行星靠近木星时为什么会被撕裂(惯性力与引力的相互作用使小行星分裂),彗星靠近太阳时彗尾为什么会有偏角。

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