慣性在實際生活中的應(yīng)用實例及啟示

1、慣性在實際生活中的應(yīng)用實例及啟示初中時我們就學(xué)過，慣性是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)。一個物體，只要不受外力作用，原來靜止的就會一直靜止下去，而原來運動的則會一直作勻速直線運動。這里的問題在于：慣性是否是物體的性質(zhì)？依據(jù)牛頓第一運動定律，任何物體均具有慣性。因而，看來慣性不是被研究物體的性質(zhì)，因為這一性質(zhì)是一切物體所具有的，也就是說它與物體的個別特征無關(guān)。因而，慣性只能是存在的一個特征，是被研究對象周圍的環(huán)境在此對象上的表現(xiàn)。換一句話說，它是存在于物體周圍的一種條件，一種約束。 慣性不是一種由個別物體自身所具備的原因（誠然，所有物體均會表現(xiàn)出慣性），它不是我們的一種吃力的、需要支撐

2、的、痛苦感的反映，事實上，它是存在的美感的綻開。因而“慣性是物體對任何改變其運動狀態(tài)的外來作用的阻抗的性質(zhì)”這樣一種說法就是不當(dāng)?shù)?。因為這一注釋還是從對牛頓第二定律的基本分析而來的，在這一注釋中已經(jīng)隱藏了牛頓第二定律及對慣性與物體質(zhì)量等價的認(rèn)同感。其實，慣性是一種令人十分安全的、舒適的、和諧的存在的性質(zhì)，它使物體的存在行為非常簡單，而人們也往往由于常見到這種存在的簡單性而忽視了它的深層含義。靜止的永遠(yuǎn)靜止，運動的永遠(yuǎn)作勻速直線運動，慣性就是將存在如此單調(diào)而重復(fù)地顯現(xiàn)在人們眼前。凡是背離了這兩種物體的存在情況而用慣性去解釋其存在原因的，均屬一種不當(dāng)?shù)脑庌q行為。可是這種詭辯行為不僅麻木了人的腦神經(jīng)

3、而且充斥著各種各樣的教科書，下面我們來看一些具體的例子。 例1慣性也有不利的一面，高速行駛的車輛因慣性而不能及時制動常造成交通事故。所以，在城市的市區(qū)，對機(jī)動車的車速都有一定的限制，以利于行車安全。在這里，不能及時制動是由于慣性還是由于制動力不夠大？略作思考，讀者就可判斷出是由于后者。將慣性看成一種破壞力是十分荒唐的。而發(fā)生交通事故的真正原因是，由于車輛質(zhì)量較大，而相應(yīng)的制動力在如此質(zhì)量的物體上所產(chǎn)生的加速度很小，不能使車輛很快地減速，從而在短時間內(nèi)停下來。倘若對于質(zhì)量較大的車輛來說制動力也允許更大，那么我認(rèn)為還是可以在一定的時間內(nèi)制動車輛的。 并且，這個例子中的“高速行駛的車輛”及“對機(jī)動車

4、的車速都有一定的限制”的字句很容易使學(xué)生認(rèn)為慣性和物體的運動速度有關(guān)。這對于初學(xué)者來說是一個很大的誤導(dǎo)。 例2把斧柄的一端在水泥地面上撞擊幾下，斧頭就牢牢地套在斧柄上了，這是什么緣故呢？ 通常標(biāo)準(zhǔn)答案是這樣的：開始斧頭和斧柄同時向下運動，當(dāng)斧柄遇到障礙物時突然停止，而斧頭由于慣性保持原來的運動狀態(tài)，這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。 事實上，斧頭在斧柄上套牢是由于斧頭克服了阻力相對于斧柄運動了一段位移，而慣性不是克服某種阻力使斧頭運動的原因。在此問題中的一個效果是斧頭相對于斧柄產(chǎn)生了某種（克服一定力的）運動，因而我們必須以斧柄為參照系來考察此種運動的實質(zhì)。當(dāng)以斧柄為參照時，實際上斧柄在撞擊的過程中

5、是一個非慣性系，它相對于慣性系有一個向上的加速度。因而斧頭在此參照系中必受到一個向下的“慣性力”，正是此力與斧頭的重力克服了斧頭與斧柄之間的彈力與摩擦阻力使斧頭相對于斧柄前進(jìn)了一段位移，從而使斧頭在斧柄上套牢。如果一定要以地面為參照系來看斧頭在斧柄上套牢的問題，那么可以這樣認(rèn)為：雖然斧頭在斧柄上向下套牢的過程中沒有受到除重力以外的向下的另外力，但相對于地面而言斧頭具有一定的動能和重力勢能，正是這個能量克服了阻力作功從而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。所以從效果上看，一是斧頭相對于斧柄向下移動了一段位移，二是斧頭與斧柄的接觸面上在發(fā)熱。 如果僅從動力學(xué)的角度來看，斧頭在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小與作用時

6、間（或所通過的位移）所共同決定的，也就是說它和斧頭相對于斧柄的動能或動量變化有關(guān)。斧柄在“水泥地面”上“撞擊”這兩個條件只是使斧柄產(chǎn)生了相對于水泥地面的較大的動量變化率，從而也使斧頭具有了相對于斧柄的慣性力。但是，雖然這個慣性力構(gòu)成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因，可嚴(yán)格地說，斧頭在斧柄上套得牢不牢的原因還和斧頭的重力及斧柄的彈性和斧頭與斧柄的摩擦力大小均有關(guān)系。并且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時間也大有關(guān)系，因而，撞擊“幾下”也是一個非常重要的條件。 例3小車上豎直放置一個木塊，讓木塊隨小車沿著桌面向右運動，當(dāng)小車被檔板制動時，車上的木塊向右傾倒。這是怎么回事呢？ 教科書上的答案是這樣的：小車突

7、然停止的時候，由于木塊和小車之間的摩擦，木塊的底部也隨著停止，可是木塊的上部由于慣性要保持原來的運動狀態(tài)，所以木塊向右傾倒。事實上，本例中小車上木塊的傾倒是由于力矩作用的緣故。若以地面為參照物，小車對木塊的摩擦力對木塊的重心而言有一個順時針旋轉(zhuǎn)的力矩，從而木塊向右傾倒。若以小車為參照物，小車被檔板制動時已是一個非慣性系，作用在木塊（重心）上的“慣性力”對木塊的底端也產(chǎn)生一個使木塊作順時針旋轉(zhuǎn)的力矩。 需要指出的是，在上述例2和例3中，斧頭在斧柄上套牢和木塊在小車上傾倒已是一個涉及物體在非慣性系中的動力學(xué)的問題。其中例2是非慣性系中的質(zhì)點動力學(xué)問題，而例3則是非慣性系中的剛體動力學(xué)問題。可是，在

8、非慣性系中，我們通常意義上所論述的牛頓第一定律已不成立，從而也失去了此兩例的代表意義。也就是說，這兩個例子不僅是不準(zhǔn)確的解釋而且是不適當(dāng)?shù)睦?。在涉及慣性的問題上我們必須分別哪些是屬于慣性現(xiàn)象，而哪些則不屬于慣性現(xiàn)象即為動力學(xué)現(xiàn)象。牛頓的例子，毫無疑問是正確的，但我們許多的物理學(xué)工作者卻將慣性對事物的解釋范圍作了相當(dāng)隨意而并不恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)展或扭曲。其實在講述慣性時，用不著舉更新鮮的特別例子，倒是需指出慣性使我們對事物常態(tài)的存在方式太熟視無睹了。這里問題的關(guān)鍵在于，慣性不是使物體改變運動狀態(tài)（使火車制動、使斧頭套牢在斧柄上、使小木塊傾倒）的原因。嚴(yán)格地說，這些原因和物體的慣性無關(guān)，只和力有關(guān)，而至于

9、火車制動得及時不及時，斧頭套在斧柄上牢不牢，小木塊傾倒得快不快，則不僅與力有關(guān)，還和物體的質(zhì)量、形體、初速度有關(guān)。但即使如此地與質(zhì)量和初速有關(guān)卻也與慣性無關(guān)。 慣性，這個我們通常認(rèn)為是由物體內(nèi)在因素決定的性質(zhì)，其實是物體存在方式的一種條件性：“試取汽車為參考系統(tǒng)來研究當(dāng)汽車急劇剎車的時候，車中乘客有向前傾倒的傾向這個問題，在汽車急劇剎車前，相對于汽車而言，乘客是靜止的，在汽車急劇剎車時，乘客突然向前傾，這就是說，以汽車為參考系統(tǒng)，乘客由靜止而突然向前傾，并不保持其靜止?fàn)顟B(tài)，并不表現(xiàn)出慣性”。這個條件就是：物體要表現(xiàn)出慣性，它必須處于慣性參考系中。而“事物的存在頑強(qiáng)地延續(xù)維持不變,無論運動是快是

10、慢抑或停止。”也只在慣性系中才成立。在研究物體的運動學(xué)與動力學(xué)問題時，慣性系總有著特殊的地位。可是，這個特殊地位的存在并不單單是人類抽象理性的功勞,并不是人類貪懶和間集化的一個報應(yīng)，慣性系的存在有其形而上的基礎(chǔ)：自然之美的呈現(xiàn)及人對自然之美呈現(xiàn)體認(rèn)的同一性。如果沒有了存在的時間均勻性與空間對稱性，我們選取的相對于地面作勻速直線運動的參考系對研究動力學(xué)問題而言也就將成為一個畸形的怪胎。慣性系不僅在計算上向人類提供了聯(lián)系物體的相互作用與相對運動的便利方式，其更根本的是它使人與存在的關(guān)系成為審美性的。慣性定律給我們的啟示是：存在是美的。而慣性系則是自然對人的一個饋贈。也因而，我們應(yīng)當(dāng)從審美的視角來看待慣性，而不應(yīng)當(dāng)將它看成一個惡魔或一件便宜貨。 所有的老師都要求學(xué)生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當(dāng)我們的老師用動力學(xué)的觀點來看待慣性也就是說，把慣性與牛頓第二定律混為一談的時