惯性力

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浅谈惯性力

在物理学中,大多数的力都有施力物体。然而惯性力却不然,惯性力是没有施力物体的力。它是为了满足牛顿运动定律在非惯性系中的数学表达形式不变而引入的。

惯性力是指当物体加速的时候,惯性会使物体保持原有的运动状态的倾向,若是以该物体为参照物,看起来仿佛有一股方向相反的力作用在该物体上,因此成为惯性力。因为惯性力实际上并不存在,实际存在的只有原本将该物体加速的力,所以惯性力又称假象力。形象的体现了惯性力的不存在性。

例如我们在乘公车的时候有一个明显的体会就是,当司机忽然加速的时候,我们的身体会向后倾,有时甚至会因为一些人的没扶好支撑物而跌倒。这时,人们就会想,我们向前后倾是因为什么物体给我们了一个力呢?实际上这里根本不存在一个将我们向后推动的力,这只是惯性在不同参照系下的表现而已。当汽车加速运动时,地面上的人看到汽车里面的人是运动的且加速度和汽车加速度是一样的。但是汽车里面的人看到与他们一起乘车的人却是静止不动的。如果我们对人进行受力分析,那么人受到重力和支持力。这两个力是平衡的。根据牛顿运动定律,人是不会移动的,但是人确实又移动了。这就是牛顿力学的一个局限。为了拟补这个缺陷,我们引入了惯性力这个概念。在处于非惯性系中的物体上人为的加上一个与该非惯性系数相等,方向相反的加速度。因为这个加速度是由于惯性引起的,所以将这个加速度的力成为惯性力。这样就可以解释我们在坐汽车时遇到的现象。

所以惯性是物体本身的性质,不是力。

我们知道对一切运动的描述,都是相对于某个参考系的。参考系选取的不同,对运动的描述,或者说运动方程的形式,也随之不同。人类从经验中发现,总可以找到这样的参考系:其时间是均匀流逝的,空间是均匀和各向同性的;在这样的参考系内,描述运动的方程有着最简单的形式。这样的参考系就是惯性参照系,也称为惯性参考系或惯性系。而非惯性系则是能够对同一个被观测的单元施加作用力的观测参照框架和附加非线性的坐标系的统称。非惯性参照系的种类无穷多。在经典机械力学中,任何一个使得“伽利略相对性原理”失效的参照系都是所谓的“非惯性参照系”。比如,一个加速转动的参照系;一个加速振动的参照系;……;一个随机任意加速运动的参照系等等。即任何一个使得牛顿第一定律和牛顿第二定律不再成立的参照系。在经典电动力学中,任何一个使得“爱因斯坦相对性原理”失效的参照系都是所谓的“非惯性参照系”。比如,任何一个使得洛伦兹电磁作用力定律,或者麦克斯韦方程组不再成立的参照系。

事实上牛顿运动定律只在惯性系中成立,然而在现实中,我们又不得不与非惯性系打交道。例如在研究大气环流一类大尺度的运动时,自转着的地球就是一个非惯性系,所以转动参考系就是一个非惯性系,在实际中有着非常重要的意义。物理学家总希望以最简明的方程概括最多的现象。对于非惯性系,关键在于寻找惯性力的正确表达式,然后把真实力与惯性力的矢量和作为总的力。这样在非惯性系中质点运动学方程的形式保持不变,因此,牛顿运动学在非惯性系中又可以运

用。

我们通常虽然也说运动是一种相对运动,是相对于参考系说的,但我们认为运动是一个物体的性质,一个物体由于惯性保持速度不变。外力可以改变这种运动状态。但我们通常指的运动其实是两个物体的运动差。我们用运动差表示一个物体的速度。用参考系与物体的运动差表示为物体的速度或其他。或说用物体的速度表示两个物体的运动差。

惯性力和电磁力之间的一种有趣的相似性,近来已有所介绍,证明

了在一非惯性转动参照系中的离心力和科里奥利力能够用静电力和

磁力来模拟.