Tính quán tính

Tính quán tính là đặc tính cho sự kháng cản của các vật có khối lượng đối với bất kỳ thay đổi nào trong vận tốc của chúng.

Tính quán tính là một trong những biểu hiện cơ bản của khối lượng, là một đặc tính định lượng của các hệ vật chất. Isaac Newton đã định nghĩa tính quán tính là định luật đầu tiên của ông trong cuốn Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, nơi ông tuyên bố:

Sức mạnh của vật chất, hay lực cản bẩm sinh của vật chất, là một lực cản mà mọi vật thể, ngay cả khi nằm yên, đều cố gắng duy trì trạng thái hiện tại của nó, dù đó là ở trạng thái nghỉ ngơi hay chuyển động theo đều hướng về phía trước trên một đường thẳng.

Trong việc sử dụng phổ biến, thuật ngữ 'quán tính' có thể ám chỉ đến 'lực cản thay đổi vận tốc' của một vật thể hoặc các thuật ngữ đơn giản hơn, 'lực cản đối với sự thay đổi trong chuyển động' (được đo bằng khối lượng của nó) hoặc đôi khi là động lượng, tùy thuộc vào ngữ cảnh. Thuật ngữ 'quán tính' được hiểu rộng hơn là viết tắt của 'nguyên lý quán tính' như Newton mô tả trong định luật chuyển động đầu tiên của ông: một vật không chịu bất kỳ lực ngoài nào sẽ tiếp tục di chuyển với vận tốc không đổi. Vì vậy, một vật thể sẽ tiếp tục di chuyển với vận tốc hiện tại của nó cho đến khi bị ảnh hưởng bởi một lực nào đó làm thay đổi vận tốc hoặc hướng di chuyển của nó.

Trên mặt đất, đối với vật chất, hiện tượng quán tính thường bị che khuất bởi lực hấp dẫn và tác động của lực ma sát cùng sự cản trở của không khí, tất cả đều có xu hướng làm giảm tốc độ vật chuyển động (thường đến dừng lại). Điều này đã khiến triết gia Aristotle bị lừa khi tin rằng các vật chỉ chuyển động khi có lực tác động lên chúng.

Nguyên lý quán tính là một trong những nguyên lý cơ bản nhất trong vật lý cổ điển, vẫn được sử dụng đến ngày nay để mô tả chuyển động của các vật thể và cách chúng bị ảnh hưởng bởi các lực tác động lên chúng.

Lịch sử phát triển khái niệm

Hiểu biết ban đầu về chuyển động

Trước thời kỳ Phục hưng, lý thuyết chuyển động được chấp nhận rộng rãi nhất trong triết học phương Tây dựa trên Aristotle, người sống từ khoảng năm 335 trước Công nguyên đến năm 322 trước Công nguyên, đã cho rằng, trong trường hợp không có động cơ bên ngoài, tất cả các vật thể (trên mặt đất) sẽ dừng lại và rằng các vật đang chuyển động chỉ tiếp tục chuyển động khi có một sức mạnh tác động lên chúng. Aristotle giải thích chuyển động liên tục của viên đạn, khi rời khỏi máy chiếu của chúng, do tác động của môi trường xung quanh, viên đạn tiếp tục chuyển động theo một cách nào đó. Aristotle kết luận rằng mức độ chuyển động mãnh liệt như vậy trong khoảng không gian là không thể.

Bất chấp sự chấp nhận chung, khái niệm về chuyển động của Aristotle đã gây tranh cãi nhiều lần trong hơn một thiên niên kỷ qua với các triết gia nổi tiếng. Ví dụ, Lucretius (cùng với Epicurus sau này) đã cho rằng 'tính chất mặc định' của vật chất là chuyển động, không phải là sự dừng lại. Vào thế kỷ 6, John Philoponus đã chỉ trích sự mâu thuẫn giữa cuộc tranh luận của Aristotle về đường đạn, nơi vật chất giữa đường đạn và cuộc thảo luận của ông về không gian, nơi vật chất bị cản trở trong chuyển động. Philoponus đề xuất rằng chuyển động không được duy trì bởi tác động của môi trường xung quanh mà là bởi các đặc tính riêng của vật chất khi nó chuyển động. Mặc dù không phải là khái niệm quán tính hiện đại, vẫn cần một lực để duy trì chuyển động của vật chất, ý tưởng này đã làm mở đường cho những phát triển tiếp theo. Quan điểm này đã gây sự phản đối mạnh mẽ từ Averroes và nhiều triết gia khác ủng hộ quan điểm của Aristotle. Tuy nhiên, trong thế giới Hồi giáo, quan điểm này không bị thách thức mạnh mẽ, nơi mà Philoponus đã có người ủng hộ ý tưởng của mình và phát triển thêm.

Vào thế kỷ 11, nhà bác học Ba Tư Ibn Sina (Avicenna) đã phát biểu rằng một viên đạn trong không gian sẽ không ngừng chuyển động trừ khi có một lực tác động lên nó.

Lý thuyết về động lực

Vào thế kỷ 14, Jean Buridan đã bác bỏ quan điểm rằng một đặc tính nào đó tạo ra chuyển động, ông gọi là động lực, sẽ tự nhiên biến mất. Quan điểm của Buridan là vật chuyển động sẽ bị ảnh hưởng bởi lực cản của không khí và sự chống lại của trọng lượng của nó. Buridan cũng cho rằng động lực tăng dần theo tốc độ; do đó, ý tưởng ban đầu của ông về động lực tương đồng với khái niệm hiện đại về động lượng. Mặc dù có những điểm tương đồng rõ ràng với các ý tưởng hiện đại hơn về quán tính, Buridan vẫn coi lý thuyết của mình là một sự thay đổi cơ bản trong triết học Aristotle, mặc dù nhiều người khác vẫn có quan điểm khác về triết học, trong đó có niềm tin rằng vẫn còn sự khác biệt cơ bản giữa một vật chuyển động và một vật ở trạng thái còn lại. Buridan cũng cho rằng tác động có thể không chỉ là tuyến tính mà còn có thể là hình tròn trong thiên nhiên, dẫn đến việc các vật thể (như các thiên thể) di chuyển theo đường tròn.

Suy nghĩ của Buridan đã được tiếp tục bởi học trò của ông, Albert ở Sachsen (1316–1390), và các thành viên của nhóm Máy tính Oxford, những người đã thực hiện nhiều thí nghiệm khác nhau để làm suy yếu thêm quan điểm cổ điển của Aristotle. Cuối cùng, công trình nghiên cứu của họ đã được Nicole Oresme, người đi đầu trong việc chứng minh các định luật chuyển động dưới dạng đồ thị.

Không lâu trước khi Galileo đưa ra lý thuyết quán tính, Giambattista Benedetti đã điều chỉnh lý thuyết động lực tăng dần để chỉ áp dụng cho chuyển động thẳng:

'…Bất kỳ phần nào của vật chất nếu di chuyển bởi chính nó sau khi có một lực đẩy từ bên ngoài đã được áp dụng, có xu hướng tự nhiên di chuyển theo một đường thẳng, không phải là một đường cong.'

Benedetti dẫn ví dụ về chuyển động thẳng bằng việc mô tả chuyển động của một tảng đá trên một rãnh trượt, nhấn mạnh tính chất thẳng của chuyển động tự nhiên của các vật thể, thay vì chuyển động theo đường cong.

Quán tính trong thời cổ đại

Theo nhà sử học khoa học Charles Coulston Gillispie, khái niệm quán tính 'đã gia nhập khoa học như một kết quả vật lý của việc hình học hóa không gian vật chất của Descartes, kết hợp với tính bất biến của Chúa.'

Nguyên lý quán tính, xuất phát từ Aristotle về 'chuyển động trong không gian trống', cho rằng một vật có xu hướng kháng lại sự thay đổi trong chuyển động. Theo Newton, một vật thể sẽ ở yên hoặc di chuyển (tức là duy trì vận tốc của nó) trừ khi có sự tác động của một lực bên ngoài, bao gồm cả lực hấp dẫn, ma sát, tiếp xúc hoặc các lực khác. Sự phân chia chuyển động của Aristotle thành chuyển động trần tục và thiên thể ngày càng trở nên phức tạp khi đối mặt với lập luận của Nicolaus Copernicus vào thế kỷ 16, người đã đề cập rằng Trái đất không bao giờ ngừng di chuyển mà thực tế là luôn luôn chuyển động quanh Mặt Trời. Trong quá trình phát triển mô hình Copernicus, Galileo đã nhận ra những vấn đề này về bản chất của chuyển động được chấp nhận vào thời điểm đó và một phần đã đưa ra lại mô tả của Aristotle về chuyển động trong không gian trống như một nguyên lý vật lý cơ bản:

• Một vật thể di chuyển trên bề mặt phẳng sẽ tiếp tục theo cùng một hướng với vận tốc không đổi trừ khi bị xáo trộn.

Galileo viết rằng 'tất cả các trở ngại bên ngoài bị loại bỏ, một vật nặng trên bề mặt hình cầu đồng tâm với Trái đất sẽ duy trì trạng thái như ban đầu; nếu được đặt trong chuyển động về phía Tây (ví dụ), nó sẽ duy trì trạng thái chuyển động đó. ' Khái niệm này được các nhà sử học gọi là 'quán tính tròn' hoặc 'quán tính tròn nằm ngang', là tiền thân của, nhưng khác với khái niệm của Newton về quán tính trực tuyến. Đối với Galileo, một chuyển động được gọi là 'nằm ngang' nếu không mang vật thể đi về hoặc rời khỏi trung tâm của Trái đất, và đối với ông, 'một con tàu, ví dụ, từng nhận một động lực nào đó qua một vùng biển yên tĩnh, sẽ tiếp tục di chuyển liên tục trên quả địa cầu của chúng ta mà không bao giờ ngừng lại.'

Cũng cần lưu ý rằng Galileo sau này (năm 1632) đã kết luận rằng dựa trên tiền đề quán tính ban đầu này, không thể phân biệt được sự khác biệt giữa một vật chuyển động và một vật đứng yên nếu không có một số tham chiếu bên ngoài để so sánh. Quan sát này cuối cùng đã trở thành nền tảng cho Albert Einstein phát triển lý thuyết tương đối hẹp.

Isaac Beeckman, nhà vật lý đầu tiên, đã từ bỏ mô hình chuyển động của Aristotle vào năm 1614.

Khái niệm về quán tính sau này của Galileo đã được Isaac Newton điều chỉnh và hệ thống hóa, trở thành định luật đầu tiên trong các Định luật chuyển động của ông (xuất bản lần đầu trong cuốn sách Philosophiae Naturalis Principia Mathematica năm 1687):

• Mọi vật thể đều tồn tại trong trạng thái yên tĩnh hoặc chuyển động theo đường thẳng, trừ khi bị tác động bởi lực bên ngoài.

Định luật chuyển động của Newton (bao gồm cả định luật đầu tiên này) đã từng bước trở thành nền tảng của cơ học cổ điển sau khi được xuất bản lần đầu.

Thuật ngữ 'quán tính' được Johannes Kepler đưa ra lần đầu trong Epitome Astronomiae Copernicanae (xuất bản thành ba phần từ năm 1617–1621); tuy nhiên, ý nghĩa của Kepler (lấy từ tiếng Latin có nghĩa là 'sự lười biếng' hoặc 'sự lười biếng') không hoàn toàn tương đồng với giải thích hiện đại. Kepler định nghĩa quán tính là sự kháng cự với chuyển động, một lần nữa dựa trên giả định rằng trạng thái yên tĩnh là tự nhiên và không cần phải giải thích. Chỉ khi công trình sau này của Galileo và Newton thống nhất chuyển động và trạng thái yên tĩnh thành một nguyên lý duy nhất, thuật ngữ 'quán tính' mới có thể được áp dụng như ngày nay.

Tuy nhiên, mặc dù Newton đã phân tích chi tiết khái niệm này trong các định luật chuyển động, ông không sử dụng thuật ngữ 'quán tính' cho Định luật thứ nhất của mình ban đầu. Ban đầu, ông cho rằng hiện tượng mà ông mô tả là do 'lực bẩm sinh' của vật chất, chống lại mọi gia tốc. Newton định nghĩa 'quán tính' là nguyên nhân của hiện tượng, hơn là bản thân hiện tượng. Tuy nhiên, ý tưởng này đã gặp phải nhiều vấn đề, và vì thế nó không còn được sử dụng nữa.

Thuyết tương đối

Lý thuyết tương đối của Albert Einstein, như được đề cập trong bài báo năm 1905 của ông, được xây dựng trên cơ sở hệ quy chiếu quán tính do Galileo và Newton phát triển. Mặc dù đã thay đổi ý nghĩa của nhiều khái niệm Newton nhưng khái niệm quán tính của Einstein vẫn giữ nguyên so với ý nghĩa ban đầu của Newton. Tuy nhiên, điều này dẫn đến hạn chế của thuyết tương đối hẹp chỉ áp dụng cho hệ quy chiếu quán tính.

Quán tính quay

Một đại lượng quan trọng liên quan đến quán tính là quán tính quay, tính chất mà một vật cứng duy trì trạng thái chuyển động quay đều. Mômen động lượng của nó không thay đổi, trừ khi có mômen bên ngoài tác dụng; điều này còn được gọi là bảo toàn momen động lượng. Quán tính quay thường được liên kết với vật cứng như một con quay hồi chuyển.

• Hệ quy chiếu quán tính
• Khối lượng quán tính
• Năng lượng
• Thuyết tương đối rộng
• Các định luật Newton
• Mô men quán tính