Что такое силы инерции кратко

Обновлено: 30.06.2024

Сила инерции — фиктивная сила, которую можно ввести в неинерциальной системе отсчёта так, чтобы законы механики в ней совпадали с законами инерциальных систем.

В математических вычислениях введения этой силы происходит путём преобразования уравнения

F1+F2+…Fn = ma к виду

Закон инерции про инерционные системы отсчёта гласит, что без влияния неуравновешенных сил тело будет сохранять свою скорость или неподвижность. В качестве примера силы инерции можно рассмотреть простую силу инерции, которую можно ввести в равноускоренной системе отсчёта:

Пусть у нас есть быстро останавливающийся автобус. Все тела в нём будут нарушать закон инерции — они будут иметь тенденцию продолжать движение, и пассажирам придётся крепко держаться за поручни, чтобы не упасть вперёд, и оставаться неподвижными на своих местах относительно автобуса. Но если предположить, что всем пассажирам приходится противодействовать некой силе, то можно будет объяснить эту тенденцию её действием. Такую силу и назвали силой инерции. С введением этой силы закон инерции в автобусе восстановится — тела можно счесть подвергающимися действию этой силы, и тогда они будут вести себя в полном соответствии со вторым законом Ньютона. Т. е. если пассажиры приложат к себе относительно поручней дополнительную мускульную силу, противоположную силе инерции, то останутся на своих местах.
Среди сил инерции выделяют следующие:

простую силу инерции, которую мы только что рассмотрели;
центробежную силу, объясняющую стремление тел улететь от оси во вращающихся системах отсчёта;
силу Кориолиса, объясняющую стремление тел сойти с радиуса при радиальном движении во вращающихся системах отсчёта;
С точки зрения общей теории относительности, гравитационные силы в любой точке — это силы инерции в данной точке искривлённого пространства Эйнштейна (см. принцип эквивалентности) .

Сила инерции, векторная величина, численно равная произведению массы т материальной точки на ее ускорение w и направленная противоположно ускорению

Fин. = -Fрез. = m*a
Сила ИНЕРЦИИ (по простому) – это сила сопротивления изменению импульса, или это сила обратная Результирующей силе действующей на тело, которую надо приложить к телу, чтобы задать телу нужное Вам ускорение с учетом того, какая у тела масса. По своей физической сущности Сила Инерции схожа с "Реакцией опоры".
-----------------
А под Результирующей силой надо понимать разницу между Силой тяги и силой трения: Fрез. = Fтяг. - Fтр.

$\overline\ne <\overline> Законы Ньютона работают в инерциальных системах отсчета. По отношению ко всем инерциальным системам ускорение тела, с которым оно перемещается, является одинаковым ( ). Любая неинерциальная система совершает движение по отношению к инерциальной системе с некоторым ускорением. Ускорение, с которым тело движется в неинерциальной системе отсчета, обозначим . При этом$
Пусть разность ускорения тела в инерциальной системе и не инерциальной равны:

$\[\Delta \overline=\overline-<\overline> $

Если неинерциальная система отсчёта перемещается поступательно, то для всех точек пространства и величина является ускорением неинерциальной системы отсчета по отношению инерциальной.

$\overline<r> При вращении неинерциальной системы отсчета в разных пространственных точках различно. Если через$
обозначить радиус-вектор, который определяет положение точки относительно неинерциальной системы отсчета, то:

$\[\Delta \overline=\Delta \overline\left(<\overline<r> >$

В неинерциальных системах отсчета не работают законы сохранения импульса и энергии, так как неинерциальные системы всегда незамкнуты.

Силы в неинерционных системах отсчета

В соответствии со вторым законом Ньютона для инерционной системы отсчета мы имеем:

$\overline=\frac<\overline<F> > \qquad (3)$

$\overline<F> где$
– равнодействующая сил, действующих на тело массы m. Используя выражения (1) и (3) получим:

$\[<\overline> $

$\overline<F> Из формулы (4) следует, что при =0$
тело будет иметь ускорение в неинерциальной системе отсчета. Этот факт можно представить, как действие на тело силы равной:

$<\overline<F> >_=-m\Delta \overline \qquad (5)$

Определение силы инерции

Силой инерции (или инерциальной силой) называют векторную величину, которая по величине равна произведению массы тела на разность его ускорений в инерциальной и неинерциальной системах отсчета. Разность ускорений берут с обратным знаком.

Характерным свойством сил инерции является их прямая пропорциональность массе тела. Поэтому силы инерции считают аналогичными силам тяготения.

Силы инерции порождаются не при взаимодействии тел, а обусловлены ускоренным движением системы отсчета. Силы инерции обусловлены свойствами системы отсчета, в которой происходит рассмотрение механического явления. Рассмотрение сил инерции не является строго необходимым, так как любое движение можно исследовать в инерциальной системе отсчета. Однако решение некоторых задач в неинерциальных системах отсчета существенно проще.

Второй закон Ньютона в неинерциальной системе отсчета

$<\overline<F> Мы видим, что для описания движения тела в неинерциальной системе отсчета можно использовать уравнения Ньютона, если к силам, которые вызваны взаимодействием тел добавить силы, которые получили название сил инерции (>_$
). Уравнение второго закона Ньютона для неинерциальной системы отсчета имеет вид:

$\[m<\overline> $

Виды инерционных сил

Силы инерции вызваны движением системы отсчета с ускорением, следовательно, нужно учитывать следующие случаи проявления этих сил:

система отсчета движется поступательно с ускорением;
тело покоится во вращающейся системе отсчета;
тело движется во вращающейся системе отсчета.

Силы инерции при поступательном движении можно наблюдать, например, когда машина увеличивает свою скорость, при этом водитель под воздействием силы инерции прижимается к спинке кресла. Если автомобиль тормозит, то сила инерции будет иметь противоположное направление и автомобилист отделяется от спинки.

Если система отсчета вращается, а тело находится в покое, то на тело действует сила, которую называют центробежной силой инерции ( ). При вращении со скоростью эта центробежная сила равна:

$F_C=-m<\omega> ^2R \qquad (7)$

где R – расстояние от тела до цента вращения.

Действию такой силы подвержены, например пилоты при выполнении фигур высшего пилотажа.

Если тело движется в неинерциальной системе отсчета равномерно и прямолинейно со скоростью " width="14" height="15" />
, а система отсчета вращается со скоростью , то на тело действует сила инерции, которую называют силой Кориолиса (>_K" width="28" height="19" />
):

$\[<\overline<F> >_K=2m\left[\overline$

Вектор силы Кориолиса направлен перпендикулярно скоростям в соответствии с правилом правого винта.

Сила Кориолиса действует не все тела, которые движутся, например, по отношению к системе отсчета, связной с Землей.

Примеры решения задач

Задание

Приведите пример явлений, которые связаны с действием силы Кориолиса.

Решение

Сила Кориолиса действует на все тела, которые перемещаются во вращающихся системах отсчета. Такими системами отсчета, строго говоря, являются все системы отсчета, связанные с Землей, так как она вращается. Например, если тело перемещается в северном полушарии в сторону севера, то на него будет действовать сила Кориолиса, которая направлена вправо в отношении движения, поэтому тело отклонится в сторону востока. Если тело станет перемещаться на юг, то сила Кориолиса будет направлена вправо, если смотреть в направлении движения, тогда тело отклоняется к западу. В этой связи в северном полушарии наблюдают сильное подмывание правых берегов рек.

Сила Кориолиса объясняет поведение маятника Фуко, который в свое время стал доказательством вращения Земли. Действие силы Кориолиса на маятник ведет к тому, что происходит вращение плоскости его колебаний около вертикали.

Задание	Какова сила инерции, действующая на материальную точку, массой m подвешенную на нити к потолку вагона, движущегося с ускорением .
Решение	Сделаем рисунок.

$\overline<F> На тело, подвешенное на нити, действуют сила тяжести, сила натяжения нити и при ускоренном движении вагона сила инерции. Если вагон перемещается с ускорением , то нить с телом будет отклоняться от вертикали до тех пор, пока сила$
, равная:

$\overline<F> =m\overline+\overline \qquad (2.1)$

не сделает ускорение рассматриваемой материальной точки равным Сила " width="15" height="16" />
будет направлена по направлению ускорения _0" width="17" height="14" />
. По модулю эта сила равна:

$F=mg \text<tg> \alpha =ma_0 \qquad (2.2)$

По отношению к системе отсчета, связанной с вагоном тело находится в покое. Это возможно только если сила " width="15" height="16" />
будет уравновешена противоположно направленной ей силой инерции >_i" width="20" height="19" />
, тогда имеем:

$<\overline<F> >_i=-m<\overline>_0$

Общим для всех трёх величин является их векторный характер и размерность силы. Кроме того, первые две величины объединяет возможность их использования в уравнениях движения, по форме совпадающих с уравнением второго закона Ньютона [1] [4] [5] , а также их пропорциональность массе тел [6] [4] [5] .

Вот беда: велосипедист наезжает на камень и падает с велосипеда. Или наездник слетает с лошади, если та резко остановилась. Почему так происходит, помогает понять такое явление, как инерция.

О чем эта статья:

Понятие инерция в формулировках Галилея и Ньютона

Галилео Галилей и Исаак Ньютон внесли свой вклад в развитие такого раздела физики, как механика. Неудивительно, что каждый из них предложил свою формулировку.

Галилео Галилей

Исаак Ньютон

Формулировка закона инерции

Когда тело движется по горизонтальной поверхности, не встречая никакого сопротивления движению, то его движение — равномерно, и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца.

Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние.

Инерция — это физическое явление, при котором тело сохраняет свою скорость постоянной или покоится, если на него не действуют другие тела.

Инерция – это физическое явление сохранения скорости тела постоянной, если на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано.

Варианты формулировки не противоречат друг другу и говорят по сути об одном и том же, просто разными словами — выбирайте ту, что вам нравится больше.

Сила: первый закон Ньютона

В повседневной жизни мы часто встречаем, как любое тело деформируется (меняет форму или размер), ускоряется или замедляется, падает. В общем, чего только с разными телами в реальной жизни не происходит. Причина любого действия или взаимодействия — сила.

Сила — это физическая векторная величина, которая описывает взаимодействие тел. Она измеряется в ньютонах (в честь Исаака Ньютона, разумеется).

Сила — величина векторная. Это значит, что, помимо модуля, у нее есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.

Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В данном случае результат выражается в направлении движения.

Теперь зная, что такое сила, мы можем вернуться к ньютоновской формулировке закона инерции — он же, Его Величество, первый закон Ньютона:

Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело сохраняет свою скорость постоянной, в том числе равной нулю, если действие на него других сил отсутствует или скомпенсировано.

Первый закон Ньютона

R — результирующая сила, сумма всех сил, действующих на тело [Н]

const — постоянная величина

Системы отсчета: инерциальные и неинерциальные

Чтобы описать движение нам нужны три штуки:

тело отсчета, относительно которого определяем местоположение других тел;
система координат: в школьном курсе мы используем прямоугольную декартову систему координат;
часы, чтобы измерять время.

В совокупности эти три опции образуют систему отсчета:

Инерциальная система отсчета — система отсчета, в которой все тела движутся прямолинейно и равномерно, либо покоятся.

Неинерциальная система отсчета — система отсчета, в которой тела движутся с ускорением.

Рассмотрим разницу между этими системами отсчета на примере задачи.

Аэростат — летательный аппарат на картиночке ниже — движется равномерно и прямолинейно параллельно горизонтальной дороге, по которой равноускоренно движется автомобиль.

Выберите правильное утверждение:

Система отсчёта, связанная с аэростатом, является инерциальной, а система отсчёта, связанная с автомобилем, инерциальной не является.
Система отсчёта, связанная с автомобилем, является инерциальной, а система отсчёта, связанная с аэростатом, инерциальной не является.
Система отсчёта, связанная с любым из этих тел, является инерциальной.
Система отсчёта, связанная с любым из этих тел, не является инерциальной.

Решение:

Система отсчёта, связанная с землёй, инерциальна. Да, планета движется и вращается, но для всех процессов вблизи планеты этим можно пренебречь. Во всех задачах систему отсчета, связанную с землей можно считать инерциальной.

Поскольку система отсчёта, связанная с землёй инерциальна, любая другая система, которая движется относительно земли равномерно и прямолинейно или покоится — по первому закону Ньютона тоже инерциальна.

Движение аэростата удовлетворяет этому условию, так как оно равномерное и прямолинейное, а равноускоренное движение автомобиля — нет. Аэростат — инерциальная система отсчёта, а автомобиль — неинерциальная.

Ответ: 1.

Инерция покоя

На столе лежит лист бумаги. На него поставили стакан и резко выдернули лист бумаги из-под него. Стакан почти не двинулся.

Так, например, если выбивать пыль из ковра, то в ковер-самолет ваш любимый предмет интерьера не превратится — вместе с пылью не улетит.

Инерция движения

В случае с движением мы берем ту часть первого закона Ньютона, в которой скорость постоянна, но не равна нулю. Здесь мы откроем способность тела к движению, которое было вызвано силой, прекратившей своё действие на тело.

Вернемся к самому началу:

Велосипедист наезжает на камень и падает с велосипеда. Благодаря инерции скорость велосипедиста сохраняется, несмотря на то, что сам велосипед не едет дальше.

Наездник слетает с лошади, если та остановилась. Это тоже происходит из-за инерции — скорость наездника остается постоянной, при этом сама лошадь останавливается.

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Мир не идеален

К сожалению, а может быть и к счастью, мы не живем в мире, в котором все тела движутся прямолинейно и равномерно. Из-за этого инерция в реальной жизни невозможна, потому что всегда есть трение, сопротивление воздуха и прочие, препятствующие движению, факторы.

Пуля, вылетевшая из ружья, продолжала бы двигаться, сохраняя свою скорость, если бы на неё не действовало другое тело — воздух. Поэтому скорость пули уменьшается.

Велосипедист, перестав работать педалями, смог бы сохранить скорость своего движения, если бы на велосипед не действовало трение. Поэтому, если педали не крутить — скорость велосипедиста уменьшается, и он останавливается.

Читайте также: