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惯性力

惯性力是为了在非惯性系中牛顿第二运动定律在形式上仍能成立而引入的力。惯性会使物体抵抗运动状态的改变,惯性力描述了参考系的非惯性运动,或者说是物体的惯性在非惯性系中的表现,实际上并不存在,因此,惯性力又称为假想力。

16世纪末期,伽利略·伽利莱(Galileo Galilei)研究了地球表面物体的运动,提出伽利略惯性定律。艾萨克·牛顿(Sir Isaac Newton)在这一基础上进行改进,提出牛顿第一定律。1687年,牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》(Philosophiae naturalis principia mathematica)一书中为惯性力奠定了理论基础,提出:由于物质的惰性(惯性),使得每个物质自身的静止的或运动的状态难以被剥夺。因此固有的力也能用极著名的名称惰性力(即惯性力,vis inertie)来称呼它。

惯性力的大小取决于非惯性系的加速度和物体的质量。在非惯性系中,物体的加速度与其惯性质量(m)成正比,即物体的加速度等于其惯性质量乘以非惯性系的加速度。惯性力的引入有助于解决一些力学问题,例如,在电梯或车辆等非惯性系中,引入惯性力可以更好地理解物体的运动状态。惯性力还可应用于科里奥利质量流量计、航天器控制等方面。

提出背景

惯性力属于一种假想力,这个概念的提出是因为在非惯性系中,牛顿运动定律并不适用。但是为了思维上的方便,可以假想在这个非惯性系中,除了相互作用所引起的力之外还受到一种由于非惯性系而引起的力——惯性力。加入惯性力后,牛顿运动定律成立。

简史

16世纪末期,伽利略·伽利莱研究了地球表面物体的运动,提出伽利略惯性定律:如果物体不受外力作用,则一直做匀速直线运动艾萨克·牛顿在这一基础上进行改进,提出牛顿第一定律:任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态,直到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止。物体保持它的原有运动状态不变的性质称为物体的惯性。

1673年,克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)发表了其著作《摆钟与钟摆运动的几何证明》,在书中提出了离心力的概念及其正确的计算公式,并总结出了秒摆运动的规律以及圆周运动及约束运动的规律。

1687年,艾萨克·牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》(Philosophiae naturalis principia mathematica)一书中为惯性力奠定了理论基础,其中提到:物质的固有的力(vis insita)是一种抵抗的能力,由它每个物体尽可能地保持它自身的或者静止的或者一直向前均匀地运动的状态。这个力总与物体自身成比例,也与物体的惰性(即惯性,inertia)没有差别。

1743年,让·达朗贝尔(D’Alember Jean Le Rond)发表《论动力学》一书,其中提到:假定就整个物体而言,内部反作用互相抵消了,因而对运动没有任何贡献,而事实上另一组力把运动传递给该系统,使得有效力静态地等于外力或外加力。达朗贝尔所说的“有效力"即是惯性力。

类型

平动

平动惯性力是处在加速平动的参考系中物体受到的一种力。

平动惯性力表达式:.

其中,为物体的质量,为加速度。表示在平移加速直线运动的参考系中,惯性力的方向与非惯性系相对于惯性系的加速度的方向相反,大小等于所研究物体的质量和加速度的乘积。

转动

在转动参照系中,若物体对该参照系静止,则只受到离心力。若物体对该参照系运动,除了惯性离心力,还会受到科里奥利力

惯性离心力

惯性离心力是加速参考系中的物体因其惯性而承受的一种力,在转动参照系内的人看来该物体是静止的,为了能够在转动参照系中用牛顿运动定律来解释物体的运动规律,引入惯性离心力。

惯性离心力表达式:.

其中,为转动参照系的角速度,为物体离转轴的距离,为从转轴引向物体的矢径的单位矢量

科里奥利力

科里奥利力是对旋转体系中进行直线运动质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。

科里奥利力数学表达式:.

为科里奥利力,为质点的质量,为质点的运动速度,为旋转体系的角速度,为两个向量向量积符号。

相关概念

达朗贝尔惯性力

在惯性参照系中,设一质点的质量为,加速度为,则该质点的达朗贝尔惯性力为:

.

达朗贝尔惯性力的定义是为了将相对惯性基的动力学方程改写为另外一种形式,即一种力的平衡形式。达朗贝尔原理也称为动静法,即动力学问题的静力学处理方法,达朗贝尔惯性力是描述相对惯性基的运动,所以它也直接简称为惯性力。

等效原理

等效原理阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)提出,指的是:一个存在引力场的惯性系与一个作加速运动的非惯性系等效。在力学中,为了使牛顿定律在非惯性系中解力学问题仍然有效,引人惯性力。因为找不到这个力的施力物体,而称其为“虚拟的”,爱因斯坦的等效原理将惯性力实在化、引力化了。他认为在非惯性系中有一个与引力场等效的惯性力场,这个惯性力场的强度等于非惯性系对惯性系的加速度负值,即。等效原理认定惯性力场与引力场是等效的,这样一来,具有加速度的非惯性系的效应就可等效为一引力场的作用,可与引力场作统一处理。

举例:(a)表示一个静止(或匀速直线运动)于均匀引力场中的密闭舱中的观察者,将手中物体放开,物体就作自由落体运动,加速度为g,此乃均匀引力场中惯性参考系中的力学现象。(b)表示在无引力场的空间有以a=-g运动的一密闭舱,此密闭舱是一个非惯性系,在此非惯性系中有一观察者也在观察物体脱手下落现象,其结果与图(a)中一样。在舱内的任何实验无法判断是处在均匀引力场中,还是处在一个对惯性系有加速度的非惯性系中。因此,一个非惯性系中物体的运动与在一个存在引力场的惯性系中物体的运动完全一样。一个存在引力场的惯性系与一个作加速运动的非惯性系等效,称为等效原理

应用

科里奥利质量流量计

质量流量传感器是在石油、化工等生产过程中所用的流量仪表,可以直接测得单位时间内所流过的被测介质的体积流量。科里奥利质量流量计是以科里奥利力测量原理为基础,在传感器内部有两根平行的T形振动管,中部装有驱动电感线圈,两端装有拾振线圈,变送器提供的激励电压加到驱动线圈上时振动管作往复周期振动,工业过程的流体介质流经传感器的振动管,就会在振动管上产生科里奥利效应,使两根振动管扭转振动,安装在振动管两端的拾振线圈将产生相位不同的两组信号,这两个信号差与流经传感器的流体质量流量成比例关系,计算机解算出流经振动管的质量流量。

航天器控制

惯性力可以应用于航空航天学在航天器的轨道控制和姿态控制方面。航天器在轨飞行时围绕地球做匀速圆周运动,航天器的重量就是万有引力和提供飞行速度的惯性力的矢量和。万有引力为航天器提供了环绕地球飞行所需的向心力,惯性力为航天器提供了维持绕地飞行所需的离心力,此时,航天器受到的向心力和离心力的方向相反、大小相等,矢量和为0。

参考资料