Инерция — это естественная тенденция движущихся объектов оставаться в движении, а покоящиеся объекты — оставаться в покое, если только сила не вызывает изменение скорости. Это один из фундаментальных принципов классической физики , описанный Исааком Ньютоном в его первом законе движения (также известном как Принцип инерции). [1] Это одно из основных проявлений массы , одного из основных количественных свойств физических систем . [2] Ньютон пишет: [3] [4] [5] [6]
ЗАКОН I. Каждый объект сохраняет свое состояние покоя или равномерного движения по прямой линии, за исключением случаев, когда он вынужден изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.
— Исаак Ньютон, Principia, Математические начала натуральной философии, Перевод Коэна и Уитмена, 1999 [7]
В своей работе 1687 года Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica Ньютон определил инерцию как свойство:
ОПРЕДЕЛЕНИЕ III. Vis insita , или внутренняя сила материи, есть сила сопротивления, посредством которой каждое тело, насколько это в нем заложено, стремится сохранить свое нынешнее состояние, будь то состояние покоя или равномерного движения вперед по прямой линии. [8]
Профессор Джон Х. Линхард указывает на то, что «Моцзы» — основанный на китайском тексте периода Воюющих царств (475–221 гг. до н. э.) — дал первое описание инерции. [9] До европейского Возрождения преобладающей теорией движения в западной философии была теория Аристотеля (384–322 гг. до н. э.). На поверхности Земли свойство инерции физических объектов часто маскируется гравитацией и эффектами трения и сопротивления воздуха , оба из которых имеют тенденцию уменьшать скорость движущихся объектов (обычно до точки покоя). Это привело философа Аристотеля к заблуждению, что объекты будут двигаться только до тех пор, пока к ним приложена сила. [10] [11] Аристотель сказал, что все движущиеся объекты (на Земле) в конечном итоге приходят в состояние покоя, если внешняя сила (сила) не продолжает их двигать. [12] Аристотель объяснял непрерывное движение снарядов после отделения от их носителя как (само по себе необъяснимое) действие окружающей среды, продолжающей двигать снаряд. [13]
Несмотря на всеобщее признание, концепция движения Аристотеля [14] оспаривалась в нескольких случаях известными философами на протяжении почти двух тысячелетий . Например, Лукреций (предположительно, вслед за Эпикуром ) утверждал, что «состоянием по умолчанию» материи было движение, а не стазис (застой). [15] В VI веке Иоанн Филопон критиковал несоответствие между обсуждением Аристотелем снарядов, где среда поддерживает движение снарядов, и его обсуждением пустоты, где среда будет препятствовать движению тела. Филопон предположил, что движение поддерживается не действием окружающей среды, а некоторым свойством, приданным объекту, когда он приводится в движение. Хотя это не было современной концепцией инерции, поскольку все еще существовала необходимость в силе, чтобы поддерживать тело в движении, это оказалось фундаментальным шагом в этом направлении. [16] [17] Эта точка зрения была решительно отвергнута Аверроэсом и многими схоластическими философами, которые поддерживали Аристотеля. Однако эта точка зрения не осталась без возражений в исламском мире , где у Филопона было несколько сторонников, которые развили его идеи дальше.
В XI веке персидский полимат Ибн Сина (Авиценна) утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать. [18]
В XIV веке Жан Буридан отверг представление о том, что свойство, порождающее движение, которое он назвал impetus , рассеивается спонтанно. Позиция Буридана заключалась в том, что движущийся объект будет остановлен сопротивлением воздуха и весом тела, которое будет противодействовать его импульсу. [19] Буридан также утверждал, что импульс увеличивается со скоростью; таким образом, его первоначальная идея импульса была во многом похожа на современную концепцию импульса. Несмотря на очевидное сходство с более современными идеями инерции, Буридан рассматривал свою теорию лишь как модификацию базовой философии Аристотеля, сохраняя многие другие перипатетические взгляды, включая веру в то, что между объектом в движении и объектом в состоянии покоя все еще существует фундаментальное различие. Буридан также считал, что импульс может быть не только линейным, но и круговым по своей природе, заставляя объекты (например, небесные тела) двигаться по окружности. Теорию Буридана продолжил его ученик Альберт Саксонский (1316–1390) и Оксфордские вычислители , которые провели различные эксперименты, которые еще больше подорвали аристотелевскую модель. Их работа, в свою очередь, была развита Николем Оремом , который был пионером практики иллюстрации законов движения с помощью графиков.
Незадолго до теории инерции Галилея Джамбаттиста Бенедетти модифицировал развивающуюся теорию импульса , включив в нее только линейное движение:
[Любая] часть телесной материи, которая движется сама по себе, когда на нее действует импульс внешней движущей силы, имеет естественную тенденцию двигаться по прямолинейному, а не по криволинейному пути. [20]
Бенедетти приводит движение камня в праще как пример неотъемлемого линейного движения объектов, вынужденных совершать круговое движение.
По словам историка науки Чарльза Коулстона Джиллиспи , инерция «вошла в науку как физическое следствие геометризации пространства-материи Декартом в сочетании с неизменностью Бога». [21] Первым физиком, который полностью отошел от аристотелевской модели движения, был Исаак Бекман в 1614 году. [22]
Термин «инерция» впервые был введен Иоганном Кеплером в его «Кратком изложении астрономии Коперника» [23] (опубликованном в трех частях с 1617 по 1621 год). Однако значение термина Кеплера, которое он вывел из латинского слова «праздность» или «лень», не совсем совпадало с его современной интерпретацией. Кеплер определял инерцию только в терминах сопротивления движению, снова основываясь на аксиоматическом предположении , что покой является естественным состоянием, не нуждающимся в объяснении. Только после более поздних работ Галилея и Ньютона, объединивших покой и движение в один принцип, термин «инерция» можно было применять к этим концепциям так, как это происходит сегодня. [24]
Принцип инерции, сформулированный Аристотелем для «движений в пустоте» [25] , включает в себя то, что земной объект имеет тенденцию сопротивляться изменению движения. Аристотелевское разделение движения на земное и небесное становилось все более проблематичным перед лицом выводов Николая Коперника в 16 веке, который утверждал, что Земля никогда не находится в состоянии покоя, а на самом деле находится в постоянном движении вокруг Солнца. [26]
Галилей , в своем дальнейшем развитии модели Коперника , признал эти проблемы с принятой тогда природой движения и, по крайней мере частично, включил в нее переформулировку описания Аристотелем движения в пустоте как основного физического принципа:
Тело, движущееся по ровной поверхности, будет продолжать движение в том же направлении с постоянной скоростью, если его не потревожить.
Галилей пишет, что «при устранении всех внешних препятствий тяжелое тело на сферической поверхности, концентрической с Землей, будет сохранять себя в том состоянии, в котором оно находилось; если его поместить в движение на запад (например), оно будет сохранять себя в этом движении». [27] Это понятие, которое историки науки называют «круговой инерцией» или «горизонтальной круговой инерцией», является предшественником, но отличается от понятия Ньютона о прямолинейной инерции. [28] [29] Для Галилея движение является « горизонтальным », если оно не переносит движущееся тело к центру Земли или от него, и для него «корабль, например, получив однажды некоторый импульс через спокойное море, будет непрерывно двигаться вокруг нашего земного шара, никогда не останавливаясь». [30] [31] Также стоит отметить, что Галилей позднее (в 1632 году) пришел к выводу, что на основе этой первоначальной предпосылки инерции невозможно определить разницу между движущимся объектом и неподвижным без какого-либо внешнего ориентира для сравнения. [32] Это наблюдение в конечном итоге стало основой для разработки Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности .
Концепции инерции в трудах Галилея позднее были уточнены, изменены и систематизированы Исааком Ньютоном в качестве первого из его законов движения (впервые опубликованных в труде Ньютона «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» в 1687 году):
Каждое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного движения по прямой линии, если только оно не вынуждено изменить это состояние под действием приложенных к нему сил. [33]
Несмотря на то, что Ньютон определил это понятие в своих законах движения, он фактически не использовал термин «инерция». Фактически, изначально он рассматривал соответствующие явления как вызванные «врожденными силами», присущими материи, которые сопротивляются любому ускорению. Учитывая эту точку зрения и заимствуя у Кеплера, Ньютон рассматривал «инерцию» как «врожденную силу, которой обладает объект, которая сопротивляется изменениям в движении», таким образом определяя «инерцию» как причину явления , а не само явление.
Однако первоначальные идеи Ньютона о «врожденной силе сопротивления» в конечном итоге оказались проблематичными по ряду причин, и поэтому большинство физиков больше не мыслят в этих терминах. Поскольку ни один альтернативный механизм не был легко принят, и теперь общепризнано, что, возможно, не существует такого, который мы могли бы знать, термин «инерция» стал означать просто само явление, а не какой-либо врожденный механизм. Таким образом, в конечном итоге, «инерция» в современной классической физике стала названием того же явления, которое описывается первым законом движения Ньютона, и эти два понятия теперь считаются эквивалентными.
Теория специальной теории относительности Альберта Эйнштейна , предложенная в его статье 1905 года под названием « Об электродинамике движущихся тел », была основана на понимании инерциальных систем отсчета, разработанном Галилеем, Гюйгенсом и Ньютоном. Хотя эта революционная теория существенно изменила значение многих ньютоновских понятий, таких как масса , энергия и расстояние , концепция инерции Эйнштейна поначалу оставалась неизменной по сравнению с первоначальным значением Ньютона. Однако это привело к ограничению, присущему специальной теории относительности: принцип относительности мог применяться только к инерциальным системам отсчета. Чтобы устранить это ограничение, Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности («Основание общей теории относительности», 1916), которая предоставила теорию, включающую неинерциальные (ускоренные) системы отсчета. [34]
В общей теории относительности понятие инерциального движения получило более широкое значение. Принимая во внимание общую теорию относительности, инерционное движение — это любое движение тела, на которое не действуют силы электрического, магнитного или иного происхождения, а которое находится только под воздействием гравитационных масс. [35] [36] Физически говоря, это именно то, что показывает правильно функционирующий трехосевой акселерометр , когда он не обнаруживает никакого надлежащего ускорения .
Термин «инерция» происходит от латинского слова iners , означающего «ленивый» или «вялый». [37]
Величина, связанная с инерцией, — это вращательная инерция (→ момент инерции ), свойство, при котором вращающееся твердое тело сохраняет свое состояние равномерного вращательного движения. Его угловой момент остается неизменным, если не приложен внешний крутящий момент ; это называется сохранением углового момента. Вращательная инерция часто рассматривается по отношению к твердому телу. Например, гироскоп использует свойство, заключающееся в том, что он сопротивляется любому изменению оси вращения.
...оно [тело] останавливается, когда сила, толкающая движущийся объект, больше не может толкать его вперед...
инерционное движение.
Цитаты, связанные с инерцией в Wikiquote