اینرسی چیست؟ – توضیح به زبان ساده با مثال و تمرین

۱۲۸۶ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۲۵ دی ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۱۵ دقیقه
اینرسی چیست؟ – توضیح به زبان ساده با مثال و تمرین

داخل اتومبیل نشسته‌اید و با سرعت زیاد و ثابت رانندگی می‌کنید. ناگهان کودکی با سرعت زیاد وارد خیابان می‌شود. برای آن‌که به کودک برخورد نکنید، بلافاصله پای خود را روی ترمز قرار می‌دهید. اتومبیل پس از طی مسافتی می‌ایستد. در این حالت، اگر کمربند ایمنی را نبسته باشید، سر شما به احتمال زیاد به شیشه جلوی اتومبیل برخورد می‌کند. این اتفاق به دلیل مفهومی به نام اینرسی یا لَختی رخ می‌دهد. اینرسی اولین قانون از قوانینی حرکت نیوتن است که در این مطلب در مورد آن صحبت خواهیم کرد و تلاش می‌کنیم به پرسش اینرسی چیست به زبانی ساده و گویا پاسخ دهیم.

این مفهوم، نخستین بار در قرن هفدهم میلادی توسط گالیله و دانشجویانش مطرح شد و سال‌ها بعد توسط نیوتن بهبود یافت. اینرسی نیز مانند جرم یا حجم، یکی از ویژگی‌های مهم جسم است و اطلاعات مهمی در مورد رفتار جسم به ما می‌دهد. در این مطلب از مجله فرادرس ابتدا به پرسش اینرسی چیست به زبان ساده پاسخ می‌دهیم. سپس، با انجام چند آزمایش ساده و حل مثال های مختلف، مفهوم آن را عمیق‌تر توضیح می‌دهیم. در ادامه، در مورد رابطه جرم و اینرسی صحبت می‌کنیم. در پایان، با انواع اینرسی و کاربردهای آن در زندگی روزمره آشنا می‌شویم.

اینرسی چیست؟

به تمایل اجسامِ متحرک به ادامه حرکت و تمایل اجسام ساکن به ماندن در حالت سکون، اینرسی می‌گوییم. به بیان دیگر، به مقاومت در برابر تغییر در حرکت، اینرسی گفته می‌شود. اولین قانون از قوانین حرکت نیوتن، قانون اینرسی نام دارد. نیوتن به هنگام اندیشیدن به آزمایش‌های انجام شده توسط گالیله، به ایده‌ای جالب رسید. او به این نتیجه رسید اگر جسمی ساکن روی زمین قرار داشته باشد، در همان حالت و بدون حرکت باقی می‌ماند. همچنین، اگر جسمی روی سطحی با سرعت ثابت در حال حرکت باشد، به حرکت خود ادامه می‌دهد. این دو حالت تا زمانی ادامه می‌یابند که هیچ نیرویی بر جسم وارد نشود. به عنوان مثال، بازیکن فوتبالی را در نظر بگیرید که برای زدن ضربه پنالتی، توپ را در جایگاه مخصوص خود قرار می‌دهد.

توپ تا قبل از وارد شدن ضربه به آن ساکن می‌ماند. بازیکن پس از زدن سوت توسط داور، با زدن ضربه‌ای به توپ، آن را به سمت دروازه هدایت می‌کند. در حقیقت، بازیکن با زدن ضربه به توپ، به آن نیرو وارد می‌کند و حالت اولیه آن را تغییر می‌دهد. توپ پس از وارد شدن نیرو به آن، از حالت سکون خارج می‌شود و شروع به حرکت می‌کند. بر طبق قانون اول نیوتن یا قانون اینرسی، توپ به حرکت خود، بدون توقف، ادامه می‌دهد. اما همان‌طور که به هنگام تماشا یا بازی فوتبال مشاهده کرده‌اید، توپ پس از مدتی متوقف می‌شود. دلیل این موضوع آن است که نیروی وارد شده از سمت بازیکن، تنها نیروی وارد شده بر توپ نیست. نیروهای دیگری مانند نیروی اصطکاک و نیروی وزن توپ نیز بر آن وارد می‌شوند. نیروی اصطکاک هنگامی وجود دارد که دو جسم یکدیگر را لمس می‌کنند.

کودکی در حال بازی فوتبال

در مثالِ توپ، حرکت توپ روی زمین سبب وارد شدن نیروی اصطکاکی در خلاف جهت حرکت توپ بر آن می‌شود. نیروی اصطکاک وارد شده بر توپ، حرکت توپ را کند و آن را به طور کامل متوقف می‌کند. همچنین، نیروی وزن توپ یا نیروی جاذبه زمین بر توپ نیز آن را به سمت پایین می‌کشد. این دو نیرو بر حرکت توپ تاثیر می‌گذارند. هنگامی‌که توپ بدون حرکت روی زمین قرار دارد، بریند نیروهای وارد شده بر آن برابر صفر است. به بیان دیگر، نیروهای وارد شده بر توپ در جهت‌های مختلف، یکدیگر را خنثی می‌کنند. ضربه پا به توپ، نیروی بزرگ‌تری بر آن وارد می‌کند که توسط نیروی دیگر خنثی نمی‌شود. اگر دو نیروی وزن و اصطکاک بر توپ وارد نمی‌شدند، توپ به حرکت خود تا ابد ادامه می‌داد. مفهوم اینرسی، نخستین بار توسط گالیله مطرح و توسط نیوتن تایید شد.

گالیله و مفهوم اینرسی

در بخش قبل فهمیدیم اینرسی چیست. در قرن هفدهم میلادی، گالیله و دانشجویانش مفهوم اینرسی را مطرح کردند. این مفهوم سال‌ها بعد توسط نیوتن بهبود یافت. گالیله سهم زیادی از درک ما از قوانین حاکم بر حرکت اجسام ایفا کرد. به جرات می‌توان گفت بزرگ‌ترین سهم گالیله در فیزیک، فرمول‌بندی مفهوم اینرسی بود. جسم متحرک به دلیل وجود اینرسی در حال حرکت باقی می‌ماند، مگر آن‌که نیروی خارجی بر آن وارد شود. بیشتر اجسامِ متحرک برای همیشه نمی‌توانند بدون تغییر با سرعتی ثابت حرکت کنند. بار دیگر به مثال توپ در بخش قبل توجه کنید. توپ پس از ضربه حرکت می‌کند، اما به دلیل وارد شدن نیروی اصطکاک بر آن، پس از مدتی متوقف می‌شود. فرض کنید جعبه‌ای روی میز قرار دارد، آن را با نیروی ثابتی می‌کشیم. دو نیروی مخالف بر جعبه وارد می‌شوند:

  1. نیروی کششی وارد شده از طرف شما
  2. نیروی اصطکاک وارد شده از طرف سطح میز
گالیله
گالیله

گالیله با انجام آزمایش‌هایی به این نتیجه رسید که اگر اصطکاک بین جعبه و میز را به گونه‌ای کاهش دهد، جعبه مسافت بیشتری را قبل از توقف کامل طی می‌کند. با انجام این آزمایش، گالیله شکل اولیه قانون اینرسی را به این صورت بیان کرد، اگر نیروهای اصطکاک برابر صفر شوند، جعبه پس از هل دادن می‌تواند با سرعت ثابت به حرکت خود تا ابد ادامه دهد، مگر آن‌که نیروی خارجی در خلاف جهت حرکت جعبه بر آن وارد شود. توجه به این نکته مهم است که صفر شدن نیروی اصطکاک در واقعیت امکان‌پذیر نیست، اما مقدار آن را می‌توان تا حد خوبی به صفر نزدیک کرد.

تا اینجا فهمیدیم مفهوم اینرسی چیست. در ادامه، برای درک بهتر این موضوع، آزمایش‌های ساده‌ای را با یکدیگر انجام می‌دهیم.

رابطه جرم و اینرسی چیست؟

اینرسی نیز مانند جرم یا حجم، یکی از ویژگی‌های جسم است. اینرسی مانند تمام ویژگی‌های جسم، درمورد رفتار آن به ما اطلاعاتی می‌دهد. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره کردیم به مقاومت جسم در برابر تغییر حالتِ حرکت، اینرسی گفته می‌شود. حالت حرکت شامل اطلاعاتی در مورد سرعت و جهت حرکت جسم است. جسم ممکن است:

  • ساکن باشد.
  • با سرعت ثابت در جهتی مشخص حرکت کند.

تمام اجسامی که در اطراف خود می‌شناسیم از ماده تشکیل شده‌اند. به مقدار ماده تشکیل‌دهنده هر جسم دلخواه، جرم آن جسم گفته می‌شود. هر جسمی مانند میز، صندلی، کتاب، و حتی موی سر، جرم دارد. واحد اندازه‌گیری جرم در سیستم SI، کیلوگرم است. قانون دوم نیوتن، مفهوم جرم را به عنوان ویژگی از ماده معرفی می‌کند که تعیین‌کننده مقدار شتابی است که جرم پس از اعمال نیروی کل F به‌دست می‌آورد. تمام اجسام در برابر تغییرات در حالت حرکت از خود مقاومت نشان می‌دهند. اگر جسمی در حالت سکون باشد، دوست دارد تا ابد در این حالت باقی بماند یا اگر با سرعت ثابت در جهتی مشخص حرکت می‌کند، دوست دارد تا ابد به حرکت خود با همان سرعت و در همان جهت، ادامه دهد.

تمایل اجسام به حفظ حالت حرکت خود تا زمانی که نیرویی خارجی بر آن‌ها وارد نشود، برقرار است. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا همه اجسام اینرسی یکسانی دارند یا مقدار اینرسی در برخی از آن‌ها بیشتر و در برخی کمتر است. مقدار اینرسی یا مقاومت اجسام به تغییر حالتِ حرکت، در اجسام مختلف با یکدیگر تفاوت دارد. مقدار اینرسی با مقدار جرم جسم، تغییر می‌کند. جرم، مقداری است که تنها به اینرسی جسم وابسته است. هرچه اینرسی جسمی بیشتر باشد، جرم آن بزرگ‌تر خواهد بود. اجسام با جرم بیشتر، مقاومت بیشتری در برابر تغییر حالتِ حرکت از خود نشان می‌دهند.

فرض کنید دو جعبه مهروموم شده و کاملا یکسان روی میزی قرار دارند. داخلی یکی از جعبه‌ها کاغذ‌های رنگی خرد شده و داخل جعبه دیگر تعدادی سیب قرار دارد. چگونه بدون برداشتن جعبه‌ها می‌توانیم بفهمیم میوه‌ها داخل کدام جعبه قرار دارند؟ قبل از انجام هر کاری می‌دانیم جعبه حاوی میوه‌ها، جرم بزرگ‌تری دارد و سنگین‌تر است. جعبه‌ها را با نیروی اولیه یکسانی به سمت جلو هل می‌دهیم و آن‌ها را به حرکت درمی‌آوریم. جعبه سنگین‌تر، در برابر حرکت از خود مقاومت بیشتری نشان می‌دهد. به بیان دیگر، اینرسی جعبه با جرم بزرگ‌تر، بیشتر است. بنابراین، به راحتی و بدون بلند کردن جعبه‌ها می‌توانیم بفهمیم میوه‌ها داخل کدام یک از آن‌ها قرار دارند.

دو جعبه کاملا یکسان روی میز

انجام آزمایش های جالب در رابطه با اینرسی

تا اینجای این مطلب از مجله فرادرس می‌دانیم اینرسی چیست و چه مفهومی دارد. همان‌طور که در مطالب بالا دیدم، به مقاومت اجسام در برابر تغییر حالت، اینرسی گفته می‌شود. اجسام در حال حرکت، دوست دارند به حرکت خود با همان سرعت ادامه دهند و اجسام ساکن دوست دارند همواره ساکن بمانند، مگر آن‌که نیرویی خارجی بر آن‌ها وارد شود. در این بخش، با انجام چند آزمایش ساده با مفهوم اینرسی به صورت عمیق‌تر آشنا می‌شویم.

آزمایش برج تخم‌ مرغ

وسایل موردنیاز برای انجام اولین آزمایش عبارت هستند از:

  • لیوان با اندازه متوسط
  • آب به مقدار کافی
  • بشقاب پلاستیکی
  • رول دستمال‌کاغذی
  • تخم‌مرغ
  • سینی پلاستیکی

مقداری آب داخل لیوان بریزید. بشقاب پلاستیکی را روی لیوان و رول دستمال‌کاغذی را روی بشقاب و تخم‌مرغی را روی رول دستمال به صورت نشان داده شده در تصویر زیر قرار دهید. به تصویر زیر برج تخم‌مرغ می‌گوییم. این سیستم تا هنگامی‌که نیرویی خارجی بر آن وارد نشود، هیچ تغییری نخواهد کرد.

آزمایش برج تخم مرغ برای اینرسی

چه کاری می‌توانیم انجام دهیم؟ با کف دست می‌توانیم به بشقاب نیرو وارد کنیم و با حرکت آن و رول دستمال‌کاغذی به سمت راست، تخم‌مرغ را داخل لیوان آب بیندازیم. به این نکته توجه داشته باشید که ضربه یا نیروی وارد شده از طرف دست به بشقاب باید با اندازه‌ای باشد که تخم‌مرغ بدون حرکت به سمت راست، داخل لیوان آب بیافتد. بنابراین، شاید چند بار اول نتوانید این کار را انجام دهید و تخم‌مرغ نیز به همراه بشقاب و روی دستمال‌کاغذی به سمت راست حرکت کند، اما با چند بار سعی و خطا، موفق به انجام این کار خواهید شد.

وارد کردن ضربه به بشقاب به گونه ای که تخم مرغ داخل لیوان آب بیافتد.

چه اتفاقی افتاد؟ این آزمایش درباره مفهوم اینرسی است. تخم‌مرغ تا قبل از وارد کردن ضربه به بشقاب، بدون حرکت روی رول دستمال‌کاغذی قرار داشت. این آزمایش را می‌توانیم با تعداد بیشتری لیوان تکرار کنیم. در ادامه، سه لیوان را به صورت نشان داده در تصویر زیر در کنار یکدیگر قرار می‌دهیم و آن‌ها را تا نیمه با آب پر می‌کنیم.

ادامه انجام آزمایش با سه لیوان و پر کردن آن ها با آب

در ادامه، به جای بشقاب پلاستیکی، سینی پلاستیکی را روی سه لیوان، سه رول دستمال‌کاغذی را به موازات لیوان‌ها روی سینی و روی هر رول یک تخم‌مرغ به صورت نشان داده شده در تصویر زیر قرار می‌دهیم. به این نکته توجه داشته باشید که رول‌های دستمال‌کاغذی حتما روی لیوان‌ها قرار داشته باشند.

سه لیوان روی میز هستند و روی آن‌ها سینی، سه رول دستمال کاغذی و تخم مرغ قرار می گیرد.

در ادامه و مشابه انجام آزمایش با یک لیوان، با کف دست به سینی نیرو وارد می‌کنیم و با حرکت آن و رول‌های دستمال‌کاغذی به سمت راست، تخم‌مرغ‌ها را داخل لیوان آب می‌اندازیم. به این نکته توجه داشته باشید که ضربه یا نیروی وارد شده از طرف دست به بشقاب باید به اندازه‌ای باشد که تخم‌مرغ‌ها بدون حرکت به سمت راست، داخل لیوان‌ها بیافتند.

وارد کردن ضربه به سینی پلاستیکی

این آزمایش را می‌توانیم با قرار دادن تعداد بیشتر رول دستمال‌کاغذی روی یکدیگر تکرار کنیم. آزمایش برج تخم‌مرغ، آزمایشی بسیار جالب برای درک مفهوم اینرسی است. تخم‌مرغ در ابتدا ساکن است، اما با وارد شدن نیروی افقی به بشقاب یا سینی از حالت سکون خارج می‌شود و داخل لیوان آب می‌افتد.

آزمایش شیشه نوشابه و پیچ فلزی

این آزمایش، مشابه آزمایش برج تخم‌مرغ است. وسایل موردنیاز برای انجام اولین آزمایش عبارت هستند از:

  • شیشه نوشابه
  • رول دستمال‌کاغذی با جنس‌های مختلف
  • چسب‌نواری
  • قیچی

رول دستمال‌کاغذی از جنس مقوا را بردارید و با استفاده از قیچی، قسمتی از آن را جدا کنید. اکنون حلقه‌ای کوچک دارید. حلقه مقوایی بریده شده را به صورت عمودی روی شیشه نوشابه خالی قرار دهید و پیچِ فلزی کوچکی را با احتیاط و به صورت نشان داده در تصویر زیر روی حلقه قرار دهید.

قرار دادن حلقه مقوایی روی شیشه نوشابه و پیچ فلزی روی حلقه مقوایی

پیچِ فلزی روی حلقه مقوایی بدون حرکت قرار دارد و در این حالت باقی می‌ماند. حلقه مقوایی را با انگشت و با سرعت مناسب به چپ یا راست حرکت دهید. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ پس از حرکت حلقه مقوایی، پیچ فلزی مستقیما داخل شیشه نوشابه می‌افتد. به این نکته توجه داشته باشید که شاید چند بار اول حلقه به همراه مقوا حرکت کند. با کمی آزمون و خطا و تخمین سرعت اولیه مناسب برای به حرکت درآوردن حلقه مقوایی، این کار را به درستی انجام خواهید داد.

آزمایش حرکت تسبیح

وسایل موردنیاز برای انجام این آزمایش عبارت هستند از:

  • تسبیح ۱۵ متری
  • لیوان پلاستیکی

دانه‌های تسبیح توسط نخی نازک به یکدیگر متصل شده‌اند. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، دانه‌های تسبیح متصل به یکدیگر روی میز، بدون حرکت قرار گرفته‌اند. دانه‌های تسبیحِ ساکن، اینرسی دارند. جسمِ ساکن، تمایل به حفظ حالتِ سکون خود دارد، مگر آن‌که نیرویی خارجی بر آن وارد شود. در ادامه، سر تسبیح را بگیرید و آن را از میز آویزان کنید. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ دانه‌های تسبیح آویزان شده از سر میز به دلیل نیروی وزن به طرف پایین شروع به حرکت می‌کنند. از آنجا که دانه‌های تسبیح به یکدیگر وصل شده‌اند، با حرکت دانه‌های تسبیح به سمت پایین، دانه‌های دیگر نیز به دنبال آن‌ها و از لبه میز به سمت پایین حرکت می‌کنند.

دانه های تسبیح روی میز

آزمایش ساده‌ای دیگری را با استفاده از تسبیح انجام می‌دهیم. مطابق تصویر نشان داده شده در ادامه، تسبیح را داخل لیوانی پلاستیکی به صورت فشرده قرار دهید. نیروی جاذبه زمین بر لیوان و تسبیح جمع شده داخل آن وارد می‌شود. اگر لیوان و تسبیح داخل آن را در دست بگیرید و از روی میز بلند کنید، نیروی جاذبه وارد شده از سمت زمین را حس خواهید کرد. لیوان را در ارتفاع ۵۰ تا ۷۰ سانتی‌متری از سطح میز نگه می‌داریم و یکی از سرهای آزادِ تسبیح را بیرون از لیوان به صورت آویزان قرار می‌دهیم. با انجام این کار، دانه‌های تسبیح یکی پس از دیگری از لیوان خارج می‌شوند و روی میز می‌افتند.

دانه های تسبیح داخل لیوان که به دلیل نیروی جاذبه از آن خارج می‌شوند

دانه‌های تسبیح در ابتدا داخل لیوان ساکن هستند و تمایل به حفظ این حالت دارند. با آویزان کردن سرِ آزاد تسبیح از لبه لیوان، نیروی جاذبه زمین آن را به سمت پایین و روی میز می‌کشاند. به همین دلیل، دانه‌های تسبیح متصل نیز در ادامه به بیرون از لیوان حرکت می‌کنند و روی میز می‌افتند.

آزمایش رابطه جرم و اینرسی

وسایل موردنیاز برای انجام این آزمایش عبارت هستند از:

  • توپ بسکتبال
  • توپ تنیس

این آزمایش را خارج از خانه و در محیط باز انجام دهید. ابتدا توپ بسکتبال و توپ تنیس را روی زمین بیندازید و رفت و برگشت آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کنید. کدام‌یک از توپ‌ها پس از برخورد به سطح زمین، راحت‌تر به سمت بالا برمی‌گردند؟ توپ تنیس، چون سبک‌تر است. هر یک از دو توپ را روی زمین در حالت سکون قرار دهید. دو توپ تا هنگامی‌که نیروی خارجی به آن‌ها وارد نشود، بدون حرکت روی زمین باقی می‌مانند. با پا ضربه‌ای به هر یک از توپ‌ها بزنید. کدام توپ راحت‌تر به حرکت درمی‌آید؟ توپ تنیس. با انجام این آزمایش ساده می‌توانیم نتیجه بگیریم که تغییر حالت حرکتِ توپ از حالت سکون به متحرک، برای توپ تنیس با جرم کمتر، راحت‌تر انجام می‌شود. به بیان دیگر، توپ تنیس اینرسی کمتر و توپ بسکتبال با جرم بیشتر، اینرسی بیشتری دارد.

مثال اینرسی

تا اینجا می‌دانیم اینرسی چیست و چه رابطه‌ای با جرم جسم دارد. در این بخش، برای درک بهتر مفهوم اینرسی چند مثال و تمرین را با یکدیگر حل می‌کنیم.

مثال ۱

نقطه‌ای در کیهان به دور از هر نیروی گرانشی و اصطکاک را تصور کنید. فرض کنید به این نقطه سفر و پس از رسیدن به آنجا، سنگی را پرتاب می‌کنید. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

پاسخ

بر طبق قانون اول نیوتن یا قانون اینرسی، سنگ به حرکت خود در جهت پرتاب و با سرعت ثابت ادامه می‌دهد.

مثال ۲

جسمی به جرم ۲ کیلوگرم روی خط افقی با سرعت ۴ متر بر ثانیه حرکت می‌کند. مقدار نیروی لازم برای آن‌که جسم با همین سرعت و بدون تغییر جهت، حرکت کند، چه مقدار است؟

پاسخ

مقدار نیروی لازم برای آن‌که جسم با همین سرعت و بدون تغییر جهت به حرکت خود ادامه دهد برابر صفر نیوتن است. زیرا جسم در حال حرکت تا وقتی نیروی خارجی بر آن وارد نشود، به حرکت خود بدون تغییر ادامه می‌دهد.

مثال ۳

خواهر و برادری سر میز با یکدیگر دعوا می‌کنند. برادر معتقد است که اگر ژله را با سرعت بیشتری پرتاب کند، ژله اینرسی بزرگ‌تری خواهد داشت. خواهرش به او می‌گوید که اینرسی با سرعت هیچ رابطه‌ای ندارد، بلکه به جرم وابسته است و این دعوا ادامه دارد. شما با کدام‌یک از آن‌ها موافق هستید؟ چرا؟

ژله روی میز

پاسخ

اینرسی کمیتی است که تنها به جرم جسم وابسته است. هرچه جرم جسمی بزرگ‌تر باشد، اینرسی آن نیز بیشتر خواهد بود. تکانه کمیت دیگری در فیزیک است که به سرعت و جرم وابسته است.

مثال ۴

فرض کنید در فضا، کاملا معلق و بدون وزن هستید. آیا در این حالت برای به حرکت درآوردن جسمی دلخواه به نیرو نیاز دارید؟

ماهواره ای در فضا

پاسخ

گرچه اجسام در فضا بدون وزن هستند، اما جرم دارند. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، به مقدار ماده تشکیل‌دهنده هر جسم دلخواه، جرم آن جسم گفته می‌شود. بنابراین، جرم و وزن دو کمیت کاملا متفاوت هستند. جرم کمیتی نرده‌ای است و مقدار آن برای جسم در همه جا یکسان است. اما وزن، کمیتی برداری است و مقدار آن به نیروی جاذبه وارد شده به جسم بستگی دارد. به عنوان مثال، مقدار نیروی جاذبه وارد شده بر جسمی که روی زمین قرار دارد با مقدار نیروی جاذبه وارد شده بر آن هنگامی که روی ماه است، فرق خواهد داشت. از این‌رو، در فضا که نیروی جاذبه‌ای وجود ندارد، وزن جسم برابر صفر است، اما جرم آن بدون تغییر باقی می‌ماند.

از آنجا که اینرسی به جرم وابسته است، حتی با وجود قرار گرفتن در فضا و در حالت بدون وزن نیز در برابر تغییر در حرکت از خود مقاومت نشان می‌دهد. در نتیجه، برای به حرکت درآوردن جسم ساکن در فضا باید به آن نیرو وارد کنیم.

مثال ۵

متن سوال:

فردی بیشتر وقت خود را روزهای تعطیل صرف استراحت، تماشای فوتبال یا خوردن تنقلات فراوان می‌کند. این روش زندگی چه تاثیری می‌تواند بر اینرسی او بگذارد؟

مشاهده جواب

اگر فرد در بیشتر مواقع در روزهای تعطیل در حال استراحت و خوردن تنقلات فراوان باشد، به احتمال زیاد اضافه وزن پیدا می‌کند. اضافه وزن به معنای افزایش جرم و در نتیجه، اینرسی او است.

مثال ۶

متن سوال:

عکاسی در جنگل‌های مازندران قصد عکاسی از خرسی قهوه‌ای را دارد. خرس متوجه حضور عکاس می‌شود و شروع به تعقیب او می‌کند. عکاس از هیبت و بزرگی خرس به شدت می‌ترسد و تا جایی که توان دارد با سرعت زیاد می‌دود. با این حال، اگر عکاس به جای طی کردن مسیر مستقیم، مسیری زیگزاگی را طی کند، به احتمال زیاد می‌تواند از دست خرس فرار کند. چرایی این مورد با استفاده از مفهوم اینرسی و قانون اول نیوتن توضیح دهید.

عکاسی توسط خرس در جنگل تعقیب می شود
مشاهده جواب

به تمایل اجسامِ متحرک به ادامه حرکت و تمایل اجسام ساکن به ماندن در حالت سکون، اینرسی می‌گوییم. به بیان دیگر، به مقاومت در برابر تغییر در حرکت، اینرسی گفته می‌شود. اینرسی با جرم رابطه مستقیم دارد. یعنی هرچه جرم جسمی بزرگ‌تر باشد، اینرسی آن نیز بیشتر خواهد بود. جرم خرس قهوه‌ای بسیار زیاد و بنابراین، اینرسی آن نیز بزرگ است. جرم عکاس در مقایسه با خرس بسیار کمتر است. در نتیجه، او بسیار راحت‌تر از خرس می‌تواند موقعیت مکانی خود را تغییر دهد. بنابراین، اگر عکاس به هنگام فرار به صورت زیگزاگی مسیر خود به طور متناوب تغییر دهد، خرس با احتمال بسیار کمتری به او خواهد رسید. زیرا به دلیل اینرسی بالا، تغییر مسیر برای خرس بسیار سخت است.

مثال ۷

متن سوال:

دو جعبه روی میز آشپزخانه و نزدیک به لبه آن در حالت سکون قرار دارند. دختربچه‌ای با ایستادن روی انگشتان پا می‌تواند جعبه‌های روی میز را ببیند. او با کنجکاوی به دنبال آن است که بداند کدام جعبه سنگین‌تر است. دختربچه نمی‌تواند جعبه‌های روی میز را بلند کند، اما با ایستادن روی انگشتان پا می‌تواند آن‌ها را با دست هل دهد. او چگونه به کمک هل دادن جعبه‌ها می‌تواند بفهمد کدام جعبه سنگین‌تر است؟

دختری دو جعبه روی میز را امتحان می کند
مشاهده جواب

جعبه‌ها، مانند هر جسم دیگری، اینرسی دارند. این بدان معنا است که هر جعبه در برابر تغییر موقعیت، مقاومت نشان می‌دهند. دختربچه با هل دادن جعبه‌ها به آن‌ها نیرو وارد می‌کند. در مقابل، جعبه‌ها در برابر هل دادن از خود مقاومت نشان می‌دهند. جعبه با جرم بزرگ‌تر، اینرسی بیشتری دارد و از خود مقاومت بیشتری در برابر حرکت نشان می‌دهد.

تمرین

در ادامه، چند تمرین را در این رابطه بررسی می‌کنیم.

تمرین ۱

اینرسی توپ فوتبال از اینرسی سنگی با اندازه یکسان، کمتر است. زیرا: 

توپ فوتبال هوای بیشتری در مقایسه با سنگ، درون خود دارد. 

توپ فوتبال هوای کمتری در مقایسه با سنگ، درون خود دارد. 

توپ فوتبال جرم کمتری در مقایسه با سنگ دارد. 

هیچکدام

شرح پاسخ

به تمایل اجسامِ متحرک به ادامه حرکت و تمایل اجسام ساکن به ماندن در حالت سکون، اینرسی می‌گوییم. به بیان دیگر، به مقاومت در برابر تغییر در حرکت، اینرسی گفته می‌شود. همچنین، اینرسی با جرم رابطه مستقیم دارد. یعنی هرچه جرم جسمی بیشتر باشد، اینرسی آن نیز بیشتر است. در مقابل، هر چه جرم جرمی کمتر باشد، اینرسی آن نیز کمتر خواهد بود. اینرسی سنگ از اینرسی توپ فوتبال بزرگ‌تر است، زیرا سنگ جرم بزرگ‌تری نسبت به توپ دارد.

تمرین ۲

کدام‌یک از گزینه‌های زیر صحیح است؟ 

اینرسی به طور مستقیم با جرم متناسب است. 

اینرسی و جرم با یکدیگر رابطه معکوس دارند. 

اینرسی و جرم هیچ رابطه‌ای با یکدیگر ندارند. 

هیچکدام

شرح پاسخ

بر طبق قانون اول نیوتن، جسم ساکن یا جسمِ در حال حرکت با سرعت ثابت روی خط مستقیم تمایل به حفظ حالت خود دارند، مگر آن‌که نیرویی خارجی بر آن‌ها وارد شود. 

  • اینرسی سکون: جسمِ ساکن تا وارد شدن نیرویی خارجی بر آن، در حالت سکون باقی می‌ماند. اگر نیرو به اندازه کافی بزرگ باشد، جسم شروع به حرکت می‌کند. به این حالت، اینرسی سکون گفته می‌شود. 
  • اینرسی حرکتی: جسمی را در نظر بگیرید که با سرعت ثابت حرکت می‌کند. این جسم تا زمانی که نیرویی خارجی بر آن وارد نشود، به حرکت خود با سرعت ثابت ادامه می‌دهد. به این حالت، اینرسی حرکتی می‌گوییم. 

اینرسی، رابطه مستقیمی با جرم دارد. اگر جرم جسمی بزرگ باشد، اینرسی آن نیز زیاد خواهد بود و برعکس. بنابراین، پاسخ صحیح گزینه یک است. 

تمرین ۳

هنگامی‌که اتوبوسی به طور ناگهانی دور می‌زند، چرا مسافران داخل آن به سمت بیرون متمایل می‌شوند؟

اینرسی

شتاب حرکت

سرعت حرکت

گزینه‌های یک و دو

شرح پاسخ

جسم در حال حرکت با سرعت ثابت، تمایل به ادامه حرکت با همان سرعت و در همان جهت دارد، مگر آن‌که نیرویی خارجی بر آن وارد شود. اتوبوسی با تعدادی مسافر با سرعت ثابت روی خط مستقیم حرکت می‌کند. ناگهان راننده با همان سرعت دور می‌زند. نیم‌تنه بالای مسافران تمایل به حرکت در جهت حرکت اولیه اتوبوس دارد. اما قسمت پایین‌تنه به دلیل نیروی تماسی بین پاها و اتوبوس، تغییر جهت می‌دهد. از این‌رو، به هنگام دور زدن اتوبوس، مسافران به سمت بیرون متمایل می‌شوند. 

تمرین ۴

کدام‌یک از مثال‌های زیر، مثال اینرسی نیست؟

حرکت مسافران به سمت جلو پس از ترمز ناگهانی اتوبوس

بلند شدن گردوغبار از روی لباس پس از تکاندن آن

دویدن ورزشکاران قبل از جهش بلند آن‌ها

هیچکدام

شرح پاسخ

در مطالب بالا فهمیدیم اینرسی چیست. به مقاومت جسم در برابر تغییر حالت آن به هنگام سکون یا حرکت با سرعت ثابت، اینرسی گفته می‌شود. برای آن‌که بدانیم کدام گزینه مثال اینرسی نیست، گزینه‌ها را با یکدیگر بررسی می‌کنیم:

  • گزینه ۱: تعدادی مسافر داخل اتوبوس نشسته‌اند و اتوبوس با سرعت ثابت در مسیر مستقیم در حال حرکت است. ناگهان راننده مانعی می‌بیند و به منظور جلوگیری از برخورد به مانع، ترمز می‌کند. مسافران داخل اتوبوس با ترمز ناگهانی راننده به سمت جلو حرکت می‌کنند، زیرا آن‌ها به دلیل اینرسی، تمایل به حفظ حالت خود و حرکت با سرعت ثابت روی خط مستقیم دارند. 
  • گزینه۲: مقداری گردوخاک روی لباس فردی نشسته است. او برای زودون گردوخاک از روی لباس، آن را با دست تکان می‌دهد. با انجام این کار، گردوخاک از روی لباس بلند می‌شود. این گزینه نیز، مثالی از اینرسی است. زیرا گردوخاک قبل از تکان دادن لباس تمایل به حفظ حالت سکونِ خود روی لباس دارند، اما تکان دادن لباس همانند نیروی خارجی عمل می‌کند و سبب بلند شدن گردوخاک می‌شود. 
  • گزینه۳: دویدن ورزشکار قبل از جهش از روی مانع، باعث به‌دست آوردن اینرسی توسط او می‌شود.  

تمرین ۵

کدام‌یک از گزینه‌های زیر در مورد اینرسی صحیح است؟ 

هرچه جرم بزرگ‌تر باشد، اینرسی نیز بزرگ‌تر است. 

هرچه وزن کمتر باشد، اینرسی بیشتر است. 

هرچه جرم کمتر باشد، اینرسی بیشتر است. 

هرچه جرم بزرگ‌تر باشد، اینرسی کمتر است. 

شرح پاسخ

جرم و اینرسی با یکدیگر رابطه مستقیم دارند. هرچه جرم جسمی بزرگ‌تر باشد، اینرسی آن نیز بزرگ‌تر و مقاومت بیشتری از خود در برابر تغییر حالت نشان می‌دهد. 

انواع اینرسی چیست؟

اینرسی به سه نوع اینرسی سکون، اینرسی جهت و اینرسی حرکتی تقسیم می‌شود. در ادامه در مورد هر یک از انوع اینرسی توضیح می‌دهیم.

اینرسی سکون چیست؟

به تمایل جسم به حفظ حالت سکون، اینرسی سکون گفته می‌شود. جسم ساکن تمایل دارد در حالت سکون باقی بماند، مگر آن‌که نیرویی خارجی به آن وارد شود. به عنوان مثال، فرشی را در نظر بگیرید که سال‌ها در گوشه‌ای از انباری بوده و پر از گردوخاک شده است. شما فرش را به داخل حیاط می‌آورید و پس از آویزان کردن فرش، با چوب ضرباتی به آن می‌زنید. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ ذرات گردوغبار از روی فرش بلند می‌شوند. این ذرات قبل از وارد شدن ضربه چوب به فرش، هیچ تمایلی به جدا شدن از فرش نداشتند. اما ضربه چوب به عنوان نیروی خارجی، ذرات گردوخاک را از روی فرش بلند و در هوا پخش می‌کند.

مردی در حال زدودن گردوغبار از فرش است

اینرسی جهت چیست؟

جسم تمایل به حفظ جهت حرکت خود دارد، مگر آن‌که نیرویی در جهتی دیگر بر جسم وارد شود. به عنوان مثال، فرض کنید با دوچرخه در خیابانی مستقیم حرکت می‌کنید. دوچرخه تمایل دارد در مسیر مستقیم به حرکت خود ادامه دهد، مگر آن‌که شما با چرخاندن فرمان دوچرخه، جهت حرکت آن را تغییر دهید.

اینرسی حرکتی چیست؟

به تمایل جسم به ادامه حرکت با سرعت ثابت، اینرسی حرکتی گفته می‌شود. جسم تا زمانی که نیروی خارجی به آن وارد نشود به حرکت خود با سرعت ثابت ادامه می‌دهد. فرض کنید در قطاری که با سرعت ثابت حرکت می‌کند، نشسته‌اید. با ترمز ناگهانی قطار، به سمت جلو پرتاب می‌شوید. این اتفاق به دلیل اینرسی حرکتی رخ می‌دهد. اگر به هنگام تابستان از پنکه سقفی برای خنک شدن استفاده کرده باشید. به طور حتم به این نکته پی برده‌اید که پنکه سقفی بلافاصله متوقف نمی‌شود و تا مدتی به حرکت خود ادامه می‌دهد. تیغ‌های پنکه بلافاصله متوقف نمی‌شوند. این موضوع به دلیل اینرسی حرکتی رخ می‌دهد.

کاربرهای اینرسی در زندگی روزمره چیست؟

در بخش قبل فهمیدیم انواع اینرسی چیست. در این بخش در مورد برخی کاربردهای اینرسی در زندگی روزمره صحبت می‌کنیم. هنگامی‌که با چکش به سطحی ضربه وارد می‌کنیم، سر چکش متوقف می‌شود، اما دسته آن به دلیل اینرسی به حرکت به سمت پایین ادامه می‌دهد. در نتیجه، حفره عمیق‌تری در سطح ایجاد می‌شود. در یکی از روزهای سرد پاییزی، باران شدیدی می‌بارد. شدت باران به حدی زیاد است که مقدار زیادی آب روی چتر شما جمع شده است. چه کاری انجام می‌دهید؟ با تکان دادن چتر، آب جمع شده روی آن را روی زمین می‌ریزید. هنگامی‌که جهت چتر تغییر می‌کند، قطره‌های آب به دلیل اینرسی شروع به حرکت می‌کنند.

یکی دیگر از کاربردهای اینرسی در ماهواره‌هایی است که به دور زمین می‌چرخند. ماهواره وسیله‌ای است که در فضا روی مسیر دایره‌ای به دور جسمی بزرگ‌تر حرکت می‌کند. نکته جالب در مورد حرکت ماهواره آن است که این وسیله بدون متوقف شدن می‌تواند به دور جسم بزرگ‌تر بچرخد. این موضوع به دلیل اینرسی حرکتی است که سبب حرکت ماهواره در مسیر دایره‌ای می‌شود.

چرخش ماهواره

آیا تاکنون به این موضوع توجه کرده‌اید که چرا پس از تکان دادن شاخه‌های درخت، میوه‌ها و برگ‌های آن روی زمین می‌ریزند؟ این موضوع به دلیل اینرسی سکون رخ می‌دهد. قبل از آن‌که درخت را تکان دهید، شاخه‌های آن بدون حرکت در جای خود قرار دارند. با تکان دادن درخت، شاخه‌های آن شروع به تکان خوردن می‌کنند. اما میوه‌ها و برگ‌های متصل به شاخه‌ها در حالت سکون خود باقی می‌مانند و از روی شاخه به زمین می‌افتند.

افتادن میوه از درخت

بستن کمربند ایمنی به هنگام رانندگی می‌تواند به حفظ امنیت شما به هنگام تصادف کمک کند. کمربند ایمنی به عنوان نیروی خارجی عمل می‌کند و به هنگام تصادف، از حرکت بدن شما به سمت جلو، جلوگیری می‌کند. به هنگام تصادف، بالاتنه که در حالت حرکت قرار دارد، به دلیل اینرسی حرکتی، تمایل به حرکت به سمت جلو دارد. اما کمربند ایمنی به کمک شما می‌آید و اثر اینرسی را خنثی می‌کند.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس، ابتدا فهمیدیم اینرسی چیست. به تمایل اجسامِ متحرک به ادامه حرکت و تمایل اجسام ساکن به ماندن در حالت سکون، اینرسی می‌گوییم. به بیان دیگر، به مقاومت در برابر تغییر در حالتِ حرکت، اینرسی گفته می‌شود. اولین قانون از قوانین حرکت نیوتن، قانون اینرسی نام دارد. در ادامه، رابطه جرم و اینرسی را توضیح دادیم. هرچه جرم جسمی بزرگ‌تر باشد، اینرسی آن نیز بزرگ‌تر خواهد بود. در پایان، برای درک بهتر مفهوم اینرسی چند آزمایش ساده را توضیح دادیم و مثال‌های مختلفی را با یکدیگر حل کردیم.

بر اساس رای ۶ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
textbookthe Physics ClassroomvadantuStudiousGuyمجله فرادرس
۱ دیدگاه برای «اینرسی چیست؟ – توضیح به زبان ساده با مثال و تمرین»

عالی👌🏻

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *