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?？梢钥闯鰜喞锸慷嗟驴隙藘牲c：（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保持同一狀態直到與其他微粒相碰撞被迫改變這一狀態為止。（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一起來的力學體系，認識到“任何物體都保持其靜止狀態或勻速直線運動狀態，除非施加外力迫使其改變這種狀態”。慣性定律才被完整地表述出來。

根據慣性定律的敘述，物體具有保持其運動狀態的屬性，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或勻速直線運動狀態的性質。一個物體只要不受外力的作用，它將繼續保持它原有的運動狀態，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，則該物體仍保持靜止或勻速直線運動的狀態”。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，當它被融入周圍環境中時，才在被研究對象中體現出來。這里存在兩點：首先，慣性要被體現必須離不開周圍環境（即研究對象）；其次，被研究對象的狀態改變。也就是說慣性要被體現出來，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而已。

三、慣性的應用

第二次世界大戰期間，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，在倫敦市區內爆炸了世界上第一枚投入戰爭的彈道式導彈，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。對于慣性制導系統中測量裝置來說，其主要測量參數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。導彈發前，通過電磁鎖定機構將質量塊固定在某一位置。導彈發后，解除鎖定，質量塊處于活動狀態。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定傳遞函數的轉換通過電壓信號被表示出來。慣性制導系統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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