Bạn có quen thuộc với quán tính không?

Không ai có thể nói tại sao một vật đang chuyển động sẽ dừng lại ở đâu đó, tại sao nó lại thích dừng ở đây hơn ở kia. Aristote

Nếu… tôi loại bỏ một khối lượng nào đó đủ xa khỏi tất cả các khối lượng khác trong Vũ trụ, quán tính của nó sẽ giảm xuống bằng không. Albert Einstein

Mỗi hạt vật chất đều cố gắng tiếp tục chuyển động xa hơn không phải dọc theo một đường cong mà chỉ dọc theo một đường thẳng… René Descartes

… quán tính quay của một vật không chỉ phụ thuộc vào khối lượng của các hạt cấu thành nó mà còn phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng với trục. Richard Feynman

Từ quán tính của vật chất, điều xảy ra là mọi vật đều khó có thể thoát khỏi trạng thái đứng yên hoặc chuyển động của nó. Isaac Newton

…ánh sáng, có khối lượng quán tính, mất năng lượng để thắng lực hấp dẫn… Jay Orear

…biểu hiện của quán tính cực kỳ khác với biểu hiện của lực thông thường. Leonard Euler

…định luật quán tính là một trong những định luật vĩ đại nhất, sâu sắc nhất và điên rồ nhất của vật lý. Mark Azbel

Nó có quen thuộc với bạn không?

?

quán tính

Thậm chí còn kỳ lạ tại sao khái niệm này, biểu thị một trong những tính chất cơ bản của vật chất, vẫn chưa trở thành nhân vật chính trong các vấn đề của chúng ta. Hãy khôi phục lại công lý và trao cho cô ấy quyền được “biểu diễn solo”. Quán tính kết hợp một cách đáng ngạc nhiên sự đơn giản rõ ràng và sự phức tạp phức tạp. Nó thể hiện cả trong tự nhiên và trong sự sáng tạo của bàn tay chúng ta. Đôi khi nó có thể là một trở ngại, nhưng thường thì nó chắc chắn rất hữu ích. Vì vậy, chẳng hạn, con quay và con quay nổi tiếng hóa ra hoạt động giống như những thiết bị con quay hồi chuyển phức tạp dùng để ổn định chuyển động và định hướng trong không gian của nhiều phương tiện. Người lái xe thường dùng đến cách lái xe “giảm tốc”, tăng tốc rồi tiêu hao năng lượng tích lũy trong thời gian dài, theo cách nói thông thường – “quán tính”. Ô tô trẻ em có tay quay và đèn lồng bọ phát sáng khi nhấn vào tay cầm là nguyên mẫu của thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng quán tính quay. Có vẻ như điểm chung giữa một con chó lắc nước và phản ứng tổng hợp nhiệt hạch quán tính là gì? Hay giữa sự rơi cơ bản của một hòn đá xuống đất và những tính chất cơ bản của không gian và thời gian? Đây hoàn toàn là quán tính… Chúng ta hãy thêm một vài câu chuyện nữa vào bộ sưu tập ý tưởng của chúng ta về nó với hy vọng rằng chúng ta sẽ có thể sửa đổi cách dịch trực tiếp của từ “quán tính” trong tiếng Latinh, có nghĩa là “thờ ơ, bất động, không hành động”.

Câu hỏi và bài toán

1. Tại sao bạn có thể dùng búa đập vỡ một viên gạch trong lòng bàn tay mà không hề cảm thấy đau đớn khi va chạm? 2. Tại sao khi muốn rũ bỏ thủy ngân trong nhiệt kế y tế, chúng ta dùng tay chuyển động mạnh xuống dưới và lập tức dừng tay lại?

2. Tại sao chiếc thước treo trên vòng giấy bị đập mạnh nhưng chiếc thước lại bị gãy? 4. Xe nào có tải hoặc không có tải thì quãng đường phanh dài hơn ở cùng một tốc độ? Giả sử hệ số ma sát là như nhau; sức cản của không khí có thể bỏ qua. 5. Tại sao khớp nối của các toa tàu đôi khi bị đứt khi đầu máy điện đột ngột di chuyển ra xa? Phần nào của đoàn tàu dễ xảy ra hiện tượng đứt gãy nhất? Làm thế nào để tránh nó? 6. Một vật nặng được treo vào trần cabin bằng một lò xo. Chuyển động của vật so với cabin sẽ như thế nào nếu đột nhiên nó bắt đầu rơi tự do dưới tác dụng của trọng lực? 7. a) Một khối đồng nhất treo trên một sợi dây và sợi dây đó bị cắt tại một điểm nào đó. b) Khối tương tự nằm trên một giá đỡ nằm ngang và đột ngột tháo giá đỡ đó ra. Xác định trong cả hai trường hợp hạt nào của khối sẽ có gia tốc lớn hơn tại thời điểm ban đầu: những hạt nằm ở phần trên của khối hoặc ở phần dưới. 8. Một hệ gồm ba quả cầu giống nhau được nối với nhau bằng các lò xo giống nhau được treo bằng một sợi dây như hình hình. Sợi chỉ bị đốt cháy. Tìm gia tốc của các quả bóng ngay sau khi dây tóc cháy hết. 9. Quán tính của một vật có phụ thuộc vào hướng chuyển động của nó không? 10. Xe có lắng xuống lò xo bên phải hay bên trái khi rẽ trái không? 11. Máy bay thực hiện “vòng chết”. Dây dọi treo trong đó sẽ hướng đi đâu khi đi qua điểm trên cùng của quỹ đạo?

12. Liệu Trái Đất có tiếp tục quay quanh trục của nó nếu lực hấp dẫn của Mặt Trời đột nhiên biến mất? 13. Ai và ở đâu đến gần tâm Trái đất nhất? 14. Ở vĩ độ Moscow, một đường ray kim loại được dẫn thẳng đứng xuống đất. Dấu hiệu nào là sự khác biệt tiềm năng giữa hai đầu của nó? 15. Mômen quán tính của một điểm sẽ thay đổi như thế nào nếu khối lượng của nó giảm một nửa nhưng khoảng cách từ điểm đó đến trục quay tăng gấp đôi? 16. Tại sao mômen quán tính của một đĩa đặc lại nhỏ hơn mômen quán tính của một vòng có cùng khối lượng và cùng bán kính? 17. Tại vị trí nào của trục quay vuông góc với một thanh đồng chất thì mômen quán tính của nó nhỏ nhất? 18. Tại sao bên trong nòng súng, đại bác lại làm ren vít? 19. Người ta đã biết cách phân biệt trứng sống với trứng luộc: bạn cần vặn chúng trên bàn. Trứng luộc quay dễ dàng và đều đặn khi đứng, trứng sống thì không. Tại sao? Làm thế nào khác bạn có thể phân biệt giữa trứng luộc và trứng sống? 20. Một cỗ máy hoạt động trên tàu vũ trụ trong môi trường không trọng lực có cần bánh đà không?

Thí nghiệm vi mô Cắt quả táo làm đôi, nhưng không cắt hết và để nó treo trên dao. Sau đó đập vào một vật cứng, chẳng hạn như một cái búa, với cạnh cùn của con dao có quả táo treo trên đó. Điều gì sẽ xảy ra? Tại sao? Bạn đã gặp phải tình huống tương tự ở đâu?

Điều tò mò là… …người Hy Lạp cổ đại phân biệt giữa hai loại chuyển động - tự nhiên và bạo lực. Ngày nay, chuyển động tự nhiên xảy ra không tác dụng lực có nghĩa là chuyển động quán tính theo đường thẳng. Tuy nhiên, các nhà khoa học cổ đại tin rằng chuyển động như vậy sẽ là vĩnh viễn và không thay đổi chỉ trong “thế giới siêu âm”, tức là chuyển động tròn và đều của các thiên thể. …Newton, người gọi quán tính là “lực bẩm sinh của vật chất”, chỉ giải thích thuật ngữ này như một “tính chất”, mà không nghĩ nó là một lực vật lý thực sự. Ông gọi ngoại lực tác dụng lên cơ thể là “lực khác”. Cần phải làm rõ do khái niệm lực không chắc chắn vào thế kỷ 17 và 18, khi ý nghĩa của nó đôi khi không có điểm chung nào với cách hiểu hiện đại về lực do Newton đưa ra. …Heinrich Hertz, không hài lòng với các công trình của Galileo và Newton, đã tạo ra cái gọi là cơ học không lực của riêng mình, tuy nhiên, cơ học này không được cộng đồng khoa học chấp nhận. Chẳng hạn, theo đó, định luật quán tính có giá trị khi áp dụng cho toàn bộ Vũ trụ, rằng có một “ête thế giới” có các đặc tính của vật chất trơ thông thường, và rằng chuyển động của các hành tinh quanh Mặt trời có thể được giải thích bằng quán tính mà không liên quan đến tác động của các lực. …khái niệm mômen quán tính, chịu trách nhiệm về quán tính của một vật khi quay, được đưa ra vào đầu thế kỷ 18 khi phát triển lý thuyết về con lắc bởi những người nổi tiếng như Jacob Bernoulli và Christiaan Huygens.

…Christian Huygens giải thích sự thay đổi chu kỳ dao động của một con lắc khi chuyển động dọc theo bề mặt trái đất do sự quay của Trái đất, dẫn đến nó bị dẹt ở hai cực và phồng lên ở xích đạo. Để xác nhận, ông nhanh chóng xoay một quả cầu đất sét mềm đặt trên một trục và quan sát quá trình làm phẳng của nó. Nhân tiện, trải nghiệm này đã ảnh hưởng đáng kể đến quan điểm vũ trụ học của Immanuel Kant và Pierre Laplace, những người đã phát triển các giả thuyết về nguồn gốc của Hệ Mặt trời. …sự quay rất nhanh của Sao Mộc - cứ 10 giờ một vòng - dẫn đến độ dẹt mạnh ở các cực. Ngược lại, Mặt trăng thực hiện một vòng quanh trục của nó trong cả tháng và thực tế không bị san phẳng. …chiếc bánh đà cổ nhất trên Trái đất, được phát hiện trong các cuộc khai quật khảo cổ, đã được chế tạo cách đây 5500 năm. Đó là một bánh xe của thợ gốm - một đĩa đất sét nung khổng lồ có đường kính khoảng một mét và có một lỗ tròn ở giữa. Sau khi quay lên, đĩa quay một lúc, tiêu tốn năng lượng tích lũy, tức là đóng vai trò như một bánh đà. … Trở lại năm 1791, thợ cơ khí người Nga Ivan Kulibin đã phát minh ra một chiếc “xe tay ga” có bánh đà giúp làm dịu đi sự chuyển động không đều của nó. Và vào năm 1860, kỹ sư người Nga Karl Shubersky đã phát triển một “bánh đà”, là một sân ga đường sắt với những bánh đà khổng lồ nặng hàng trăm pound. Tăng tốc trên các đoạn nằm ngang và xuống dốc, các bánh đà quay sau đó đã giúp đoàn tàu vượt qua những đoạn leo dốc khá dốc bằng quán tính của chúng. …hai vai trò của khối lượng - là thước đo quán tính và “điện tích hấp dẫn” - đã được Newton nghiên cứu, tiến hành các thí nghiệm với con lắc. Chu kỳ của con lắc, theo dữ liệu của ông, không phụ thuộc vào trọng lượng của tải trọng, như lẽ ra nó phải phụ thuộc vào trường hợp khối lượng quán tính và trọng lực của các vật bằng nhau. Sự đồng nhất giữa các khái niệm quán tính và trọng lực sau đó được nâng lên hàng nguyên lý cơ bản của vật lý và hình thành nền tảng cho thuyết tương đối tổng quát của Einstein. …khoảng một trăm năm trước, một loạt thí nghiệm đã được thực hiện để xác định các chất mang điện trong kim loại. Khi dây dẫn đột ngột dừng lại, các điện tích tự do trong nó chuyển động theo quán tính trong một thời gian ngắn, tạo ra xung điện. Hướng của nó cho thấy các electron là chất mang điện tích. …photon, không có khối lượng nghỉ, có quán tính. Do đó, chúng bị thu hút bởi các vật thể khác: bay qua Mặt trời và các ngôi sao, chúng quay lại, tạo ra ảo ảnh vũ trụ hoặc bay về phía Trái đất, chúng tăng năng lượng, điều này ảnh hưởng đến sự thay đổi tần số của chúng. Nhưng than ôi, không thể dừng lại, làm chậm hay tăng tốc các photon.

Những gì cần đọc trong «Kvant» về quán tính

(xuất bản những năm gần đây)

1. “Vật lý bên trong xe buýt” – 2006, số 1, tr. 27; 2. “Vật lý trong “Những câu chuyện về động vật” - 2008, Số 4, trang 31, 3. “Dòng chảy quanh các vật quay” – 2010, Số 2, trang 49, 4. “Kính vạn hoa vật lý. Số 3" - 2012, Phụ lục số 3, trang 11, 16.126; 5. “Liệu Galileo có thể khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn” – 2013, Số 2, trang 16; 6. “Những khoảnh khắc đẹp của vật lý” - 2013, số 5-6, trang 31.

Tài liệu do A. Leonovich chuẩn bị