慣性

2021-01-15 Hammer爸爸

今天聊聊慣性和我對「變化」的看法。


「慣性」這個概念是初二物理就有的,定義是「物體總保持靜止或者勻速直線運動,直到有外力迫使其改變運動狀態」。這句話其實有點拗口,啥叫「總保持」,啥是「外力迫使其改變」?對於初二的孩子們來說,理解起來有一定難度。我試著用通俗的語言給大家聊聊力學上的慣性、電學的慣性以及慣性的外延。


力學上,慣性是指 「物體有保持當下運動狀態不變的性質」:如果某物體靜止不動,或者其瞬時速度為零,當這個瞬間力消失後它便保持速度為零的狀態,即靜止不動;如果某物體是運動的(速度不為零),那麼當所有力都消失時它就保持當下這個速度沿直線做速度大小恆定不變的直線運動,即勻速直線運動。


生活中很多例子都體現了慣性:潑出去的水就是利用了盆減速為零、但水保持原來速度不變的性質完成「水、盆分離」;坐公交車司機急剎車,身體會前傾也是由於身體慣性,下半身隨車停止了上半身還得保持原來的速度導致身體前傾,速度差太多的話極易摔成狗啃shi。

(最近流行的潑水成冰)

(公交車裡大爺玩兒的還挺6)

(運動員利用慣性騰空而起)

力學上的慣性大家都有體會,只要物體有質量,它就有慣性。如果我們給慣性賦予生命,我們可以理解為它有保持原有運動狀態的「意願」:原來運動則保持運動狀態的意願——做勻速直線運動,原來靜止(或者速度為零)則有保持速度為零的意願——靜止不動。這種意願跟它所處的位置無關、與其,僅僅與其質量有關,質量是決定「意願」大小的唯一因素。


電學上,電也會體現出「保持原有狀態不改變」的「意願」,我們可以理解為電也具有慣性。電的這種慣性在電感器(線圈)上體現的尤為明顯,物理學稱之為自感現象:

這是演示通電自感和斷電自感的電路圖:

當開關閉合時,電路形成通路,線圈L所在的支路原來並沒有電流,現在突然有了電流,由於「慣性」,它要保持原來無電流的狀態,於是便感應出與電源電流方向相反的電流「阻礙」電流的變大,於是L1所在的支路電流會由零漸變到穩定值,亮度經一小段時間後緩慢變亮。與之對應的另一條支路的電流則幾乎是瞬間達穩定值,L2則直接點亮,一步到位。


來電時,電流要阻礙電流的增加體現了保持原來電流為零的狀態的慣性,斷開開關S斷電時,電感器L也會阻礙電流的減小,產生與原電流大小相等方向相同的感應電流,「試圖」阻礙電流減小,這時,L1、電感L R以及L2構成了閉合迴路,感應電流從這個迴路中流過,所以L1 L2都會在斷電一小段時間後漸漸熄滅。只是「過程掙扎,結果無異」,電流最後還是減為零。


你看,電就是這樣的性格:來時不想讓你來,走時拼命挽留你,雖然有點欠揍,卻是因為內心有「慣性」支配它。不知此時你耳邊是否響起周華健「其實不想走,其實我想留」的經典旋律?


動力學上物體有保持原來運動狀態不變的性質,電學上通過自感產生感應電流也體現了保持原來狀態的性質,都可以理解為慣性。那麼有生命的我們人類,又何嘗沒有總想保持原有狀態不想做出改變的潛意識呢?


讀書的時候換了班級,新的班主任新的同學,學生感到極度不適,懷念舊有的老師、同學,甚至牴觸新老師的講課方式;求學、就業從北方到南方、從國內到國外,飲食、氣候、人文難以適應,「水土不服」的本質是慣性作祟。從骨子裡講,人們是厭惡變化的,人們希望永遠保持一種穩定不變的狀態。因為一旦有變化,由於慣性屬性,生理或者心理產生一系列的變化去阻礙或者對抗這種變化,帶來不適感,所以人們不想有變化,躲在舒適區享受穩定帶來的安全感。


然而儘管變化意味著風險,但同時也孕育著機會和成長:運動狀態的變化引起能量的變化,磁通量的變化引起了電能的產生,環境的改變引起新物種的誕生和進化……人類文明的進步與科技進步密不可分,科技的進步往往始於變化、發軔於對變化的積極應對。一成不變不會有機遇、一成不變也不會有新發現。


勢能的增加,需要克服其對應的力做功:增加重力勢能我們要克服重力做功,增加電勢能我們需要克服電場力做功,增加彈性勢能我們當然也要克服彈簧彈力做功。那人有沒有勢能呢?當然也有,比如一些大佬,不管是政界的、商界的亦或者學術界的專家學者,電視上、報紙上不覺得他們的氣場,但靠近他們的時候我們都能感受到其強大的氣場。這種氣場就是人的勢能。要提高人的「勢能」,則需要克服人的慣性做功。這個慣性,不就是一直束縛你展翅高飛的「惰性」嗎?


對於變化的到來,我們不該排斥它,而應以歡迎和擁抱的姿態去迎接它。成長和進步孕育在變化裡,在變化的環境中人才能成長和進步;因為,成長與進步本身就是一種變化。


(完)

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    愛因斯坦沒有解釋出慣性的本質,但他深化了我們對慣性的認識!艾薩克·牛頓在巨著《自然哲學的數學原理》裡定義慣性為:慣性是物質固有的力,是一種抵抗的現象,它存在於每一物體當中,大小與該物體相當,並儘量使其保持現有的狀態,不論是靜止狀態,或是勻速直線運動狀態。而慣性系是一個描述運動的參考系統。
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    慣性力是指當物體加速時,慣性會使物體有保持原有運動狀態的傾向,若是以該物體為坐標原點,看起來就仿佛有一股方向相反的力作用在該物體上,因此稱之為慣性力。因為慣性力實際上並不存在,實際存在的只有原本將該物體加速的力,因此慣性力又稱為假想力。它概念的提出是因為在非慣性系[1]中,牛頓運動定律並不適用。
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