淺談慣性及其應用

【摘 要】本文論述了經典力學中慣性概念的建立過程，慣性的本質及其應用。

【關鍵詞】慣性 本質 應用

慣性作為經典力學中的一個基本概念，也是物理學習中最早面臨的經典力學概念之一，同時它又是人們日常生活中的一個基礎性觀念，并且慣性問題也是經常被物理學家提及的一個話題，本文從慣性概念的建立、慣性的本質、慣性的應用對慣性進行了討論。

一、慣性概念的建立

大家對于慣性的認識有賴于慣性定律的建立，而它則依賴于人們對力及運動的認識，這一點在人類思想史上經歷了漫長的歲月。

兩千多年前，希臘的哲學家亞里士多德的學說無疑引起過廣泛的影響。盡管亞里士多德被奉為圣賢，然而他關于物理思想的論述，在今天看來許多都是不可取的。可以看出亞里士多德肯定了兩點：（1）力是物體強制運動的原因；（2）自然運動不涉及力的問題，只有強制運動才存在力的問題。從今天看來，這里顯然是錯誤的，可它卻束縛了人們近兩千年，直到逐漸被新的見解所代替。

最早清楚表述慣性定律并把它作為原理加以確定的是笛卡兒，笛卡兒在他的著作《哲學原理》（1644年）中把慣性表述成兩條定律：（1）每一單獨的物質微粒將繼續(xù)保持同一狀態(tài)直到與其他微粒相碰撞被迫改變這一狀態(tài)為止。（2）所有的運動其本身都是沿直線的。笛卡兒是最早把慣性定律作為原理加以確定，并視為整個自然觀的基礎。牛頓繼承了伽利略重視實驗和邏輯推理的研究方法，也繼承了笛卡兒的研究成果，于1687年出版了《自然哲學的數(shù)學原理》以“定義”和“公理，即運動定律”為基礎建立起把天上的力學和地上的力學統(tǒng)一起來的力學體系，認識到“任何物體都保持其靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)，除非施加外力迫使其改變這種狀態(tài)”。慣性定律才被完整地表述出來。

根據(jù)慣性定律的敘述，物體具有保持其運動狀態(tài)的屬性，稱為慣性。慣性是一切物體都具有的性質。為了進一步認識慣性，我們先從慣性的本質來研究。

二、慣性的本質

我們知道，慣性是物體保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質。一個物體只要不受外力的作用，它將繼續(xù)保持它原有的運動狀態(tài)，原來靜止的會一直靜止下去，而原來運動的則會一直做勻速直線運動。在這里存在一個值得考慮的問題：慣性是否是物體的性質？依據(jù)牛頓第一定律，按牛頓自己的話說是：“每個物體若無外力影響，使之改變狀態(tài)，則該物體仍保持靜止或勻速直線運動的狀態(tài)”。從這里我們可以看出，任何物體都具有慣性，因而，慣性只是作為存在的一個特征，當它被融入周圍環(huán)境中時，才在被研究對象中體現(xiàn)出來。這里存在兩點：首先，慣性要被體現(xiàn)必須離不開周圍環(huán)境（即研究對象）；其次，被研究對象的狀態(tài)改變。也就是說慣性要被體現(xiàn)出來，既被人們所認識需以上兩個條件。我們還可以看出，慣性不是一種由個別物體自身所具備的，而是由其表現(xiàn)周圍存在著的與時空有關的天體質量分布情況決定著的性質。從這點來看，人們認識慣性應該用更深一層的眼光來看，而對慣性的認識也不應拘泥于一成不變的定理。

總之，不論是宏觀物體，還是微小粒子，不論是固體、液體、氣體，不論是靜止物體，還是運動物體，不論是在地球上，還是在月球上，一切物體在任何時刻任何情況下都具有慣性。物體的慣性是時間均勻性與空間對稱性的必然結果。因而，它不是個別存在物的性質，個別存在物只是作為慣性的顯現(xiàn)者，慣性的本質即與個別存在物無關，慣性只是作為存在的一種表現(xiàn)而已。

三、慣性的應用

第二次世界大戰(zhàn)期間，德國研制出了V-2火箭，從歐洲本土飛躍英吉利海峽，直奔英國首都，在倫敦市區(qū)內爆炸了世界上第一枚投入戰(zhàn)爭的彈道式導彈，該彈道式導彈即是利用慣性制導的原理。

慣性制導，簡稱慣導，是利用物體的慣性特性來進行制導的一種制導方式。對于慣性制導系統(tǒng)中測量裝置來說，其主要測量參數(shù)也就是敏感導彈的飛行加速度。目前，導彈上常用的加速儀是線性位移式加速儀如圖1所示，

它由質量塊﹑支撐彈簧﹑鎖定器﹑電位計式傳感器﹑殼體等部分組成，連接質量塊的兩彈簧的軸線方向稱為加速儀的敏感軸，該軸與導彈的某個軸平行，以便測得導彈在飛行時沿該軸的加速度。導彈發(fā)前，通過電磁鎖定機構將質量塊固定在某一位置。導彈發(fā)后，解除鎖定，質量塊處于活動狀態(tài)。當導彈做勻速運動時，其兩側彈簧的拉力相等，質量塊處于平衡位置，電位器沒有電壓輸出。當導彈沿圖中a方向加速運動時，質量塊由于慣性而相對于殼體產生位移，由于彈簧彈力的作用，質量塊便平衡于某個位置，導致與質量塊相連的電位器的電刷移動了一個距離，電位器上就有電壓輸出。這樣，導彈加速度便經過穩(wěn)定傳遞函數(shù)的轉換通過電壓信號被表示出來。慣性制導系統(tǒng)由于具有較強的抗干擾能力和良好的隱蔽性，因此被人們廣泛應用于彈導式戰(zhàn)略導彈﹑潛艇﹑飛機﹑宇宙飛船等的制導中。

慣性這一普通而平凡的概念曾經引導許多物理學家深入思考和剖析，促進了物理學的重大進展，其中蘊涵著深刻的物理思想和豐富的物理學研究方法，人們對于慣性的認識也由淺入深，達到一個比較完善的程度。從此，人們對于運動中的種種慣性現(xiàn)象都能很好的理解，在實際中設計出種種利用慣性造福和防止慣性傷害的措施。無論從東漢張衡制造的“地動儀”到“慣性秤”，還是從慣性制導到慣性水泵，都是人類利用慣性為人類造福的智慧結晶。

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