張軍

運動員跳遠時先來一段助跑，路面太滑導致行人摔倒，汽車急剎車時乘客會前傾，籃球離開手還能飛向籃筐，曬完被子后拍一拍就會騰起灰塵，鴨子上岸后抖抖翅膀便將水珠甩掉……這些司空見慣的現(xiàn)象中，都包含著慣性知識。今天，我們就來聊一聊無處不在的慣性。

什么是慣性

慣性是物體的固有屬性，不管物體呈現(xiàn)什么狀態(tài)、是否運動、溫度多高，都具有慣性。慣性就是保持“原有運動狀態(tài)不變”的性質(zhì)，這個“原有”指的是“某個事件”發(fā)生之前。當然，有沒有這個“事件”并不影響物體本身具有慣性。

舉個例子，汽車突然啟動時，乘客會向后傾倒。這個情境中涉及兩個物體，一個是乘客，這是我們要研究的對象；一個是汽車，是相關對象。研究對象與相關對象（乘客和車）原來都處于靜止狀態(tài)，當事件發(fā)生時——相關對象（車）突然運動，改變了原來的靜止狀態(tài)，但由于研究對象（乘客）具有慣性，還要保持原來的靜止狀態(tài)。乘客與車接觸的部位（比如腳、屁股等）由于摩擦等原因和車一起運動，沒有和車接觸的部位，對于和車接觸的部位來說發(fā)生了相對運動，表現(xiàn)為身體的上半部分向后傾倒。同樣的道理，當行駛的汽車突然減速時，乘客會前傾。

我們在家可以模仿乘客向前或向后傾倒的現(xiàn)象。在靜止的小車上放一杯水，這時水面是水平的。當小車突然運動起來，水會向后傾，導致水面出現(xiàn)前低后高的坡面（圖1甲，紅色箭頭表示前進方向，下同）。如果行駛的小車突然減速呢？水就會向前傾，水面呈現(xiàn)前高后低的坡面（圖1乙）。這里的水就是“乘客”。把問題變一下，如果這是一輛油罐車，油沒有裝滿，留下了氣泡，那么剎車時氣泡往前還是往后運動？這時的“乘客”是油，“乘客”前傾，將氣泡擠向了后方（圖1丙）。那么，氣泡沒有慣性嗎？有，但是油的慣性更大。影響慣性大小的唯一因素是質(zhì)量，質(zhì)量越大，慣性越大，運動狀態(tài)越不容易改變。

很多同學可能都會有這樣一個疑問：地球在從西向東自轉(zhuǎn)，為什么我們從地面上某點A豎直向上起跳時，還能落到原來的起跳點呢？原因就是我們具有慣性。在我們起跳之前，和地球具有相同的自西向東的速度v；當我們的腳豎直向上離開地面時，并不改變原有的向東運動速度v，那個起跳點A也在以同樣的速度v向東運動（圖2）。所以，我們不能用在原地起跳的方式去周游世界。

假設飛機始終勻速水平飛行，不考慮空氣阻力，那么豎直向下自由掉落的炸彈會排成什么圖形呢？當炸彈離開飛機，豎直方向由于受到重力作用，向下做加速運動；而水平方向，由于慣性，還保持和飛機原來相同的速度向前飛行。所有自由掉落的炸彈水平方向的速度都相等，所以炸彈會在飛機下方排成一條豎直的縱隊（圖3）。

慣性與速度無關

有人認為，速度越大，慣性越大。理由是，速度大的車輛難以剎車。我們不妨來分析一下。

假定有甲、乙、丙三輛小車，質(zhì)量分別是1kg、2kg、10kg，都在平直路上以20m/s速度行駛?，F(xiàn)在遇到突發(fā)情況后一起剎車，假設剎車時受到的阻力都是10N。根據(jù)牛頓第二定律，每過1s，甲車速度減小10m/s，乙車速度減小5m/s，丙車速度減小1m/s。哪輛車容易減速？或者說，哪輛車的運動狀態(tài)容易改變？當然是質(zhì)量小的甲車。現(xiàn)在假定，三輛車原來的速度更大，是30m/s，在10N的阻力下，每過1s，甲車速度依然減小10m/s，乙車速度依然減小5m/s，丙車速度依然減小1m/s。運動狀態(tài)改變的難易程度并沒有改變，也就是說，運動狀態(tài)改變的難易程度，說的不是速度改變的多少，而是速度改變的快慢！

當然，上面的例子中，若甲車以20m/s速度行駛，2s后速度減小到零；若甲車以30m/s速度行駛，則3s后速度減小到零。初速度越大，速度減小到零所用的時間越長，但是單位時間內(nèi)速度的減小值依然沒變。

慣性的應用與危害預防

在不知道“慣性”這個概念之前，人類就在利用慣性了。

冬天清除路面積雪時，我們并不需要用鏟子端著雪跑到路邊再倒掉，只要握緊鏟柄用力一甩，鏟子上的雪就會飛出去。甩動鏟子和雪時，雪（研究對象）和鏟子（相關對象）原來一起處于運動狀態(tài)，當鏟子突然停止運動，雪由于慣性，還要保持原來的運動狀態(tài)繼續(xù)向前運動，就脫離鏟子飛出去了（圖4）。同樣，給鍋爐加煤，也只要用鏟子將煤甩進爐膛里就可以了，而不需要將鏟子也塞進爐膛里。

絆馬索利用的也是慣性。當騎兵騎馬飛奔而來，隱藏的絆馬索突然被拉直，攔住了馬匹的腿部。馬腿的速度迅速減小，而馬的身體和馬背上的騎兵仍然以原來的速度向前運動，結(jié)果騎兵會從馬背上被甩向前方地面，馬也會向前翻倒。如今，絆馬索被改良成了警用裝備。高壓氣體將纏繞繩連同重錘一起射出，繩被作用對象的腿部擋住后，重錘由于慣性仍在向前運動，在對象腿部多次繞圈，起到了絆倒效果，從而提高了抓捕效率。

在助跑跳遠時，運動員先要加速助跑，盡量提高起跳時的水平方向速度。運動員騰空時水平向前的速度幾乎沒變，在同樣的騰空時間內(nèi)可以跳得更遠。家里的錘頭松動時，我們會將錘柄朝下在地上撞擊幾下，錘柄被地面阻擋、停止運動時，錘頭由于慣性依然向下運動，就會緊套在錘柄上。洗完衣服晾曬時，抓住衣服先用力抖動幾下，利用衣服和水的慣性，可以讓部分水珠從衣服上甩落，同時可以讓衣服舒展開來，增大水分蒸發(fā)的面積。足球離開了腳，還能向前滾動；籃球出手后，依然會飛向籃板；子彈出膛后，還在向前飛行；火箭關閉了發(fā)動機，還在向前運動；火車進站前停止驅(qū)動，還會滑行一段距離……這些都利用了慣性。

慣性帶來的危害也是我們要防止的。司機和乘客都要系緊安全帶，以免剎車、拐彎等帶來的傷害。地面有霜凍時，車要減速慢行，避免來不及剎車造成事故。走路時，要避免被石頭、臺階絆倒，等等。

在家做慣性實驗

我們身邊幾乎所有的器材都可以拿來做慣性實驗。慣性實驗現(xiàn)象往往出乎人們的意料，因為大多數(shù)人思考問題的方式是“想當然”，而不是基于科學原理的理性分析。

找個燒杯或者塑料杯，加點水，不需要小車，用手在桌面上突然拖動杯子，或者讓運動的杯子突然減速，我們就可以模擬車啟動時乘客后傾或者車減速時乘客前傾的情景了（圖5）。

在飲料瓶內(nèi)裝大半瓶水，在一個小玻璃瓶里裝入適量水，然后口朝下插入飲料瓶內(nèi)，可以讓小玻璃瓶懸浮?，F(xiàn)在讓飲料瓶繞中軸線轉(zhuǎn)動起來，飲料瓶里的小玻璃瓶會跟著轉(zhuǎn)動嗎？試一試，你就會發(fā)現(xiàn)，小玻璃瓶保持原來的靜止狀態(tài)不變。但如果長時間持續(xù)轉(zhuǎn)動，由于水的黏滯，水和小玻璃瓶也會動起來。這時讓飲料瓶停止轉(zhuǎn)動，你會發(fā)現(xiàn)小玻璃瓶還會運動，停不下來（圖6）。

找兩個一樣的雞蛋，一生一熟，嘗試在桌面上轉(zhuǎn)動它們。生雞蛋里面的蛋清、蛋黃和外殼并沒有形成一體，當旋轉(zhuǎn)生雞蛋時，蛋殼在力的作用下開始轉(zhuǎn)動，但是蛋黃和蛋清由于慣性要保持原來的靜止狀態(tài)，“拖累”了蛋殼，所以生雞蛋不容易轉(zhuǎn)動起來。但是，生雞蛋一旦轉(zhuǎn)動起來，蛋殼在桌面摩擦力的作用下減小轉(zhuǎn)速時，蛋黃和蛋清由于慣性還想轉(zhuǎn)下去，所以蛋殼遲遲不能停止轉(zhuǎn)動。熟雞蛋的情況剛好相反，容易轉(zhuǎn)動起來，也容易停下來（圖7）。

將玻璃杯放在水平桌面上，里面裝上大半杯水。杯口放上一塊泡沫板，然后在泡沫板上放置一個雞蛋。沿水平方向快速擊打泡沫板，泡沫板瞬間飛出。雞蛋呢？由于慣性，水平方向上保持原來的靜止狀態(tài)，不會運動；但是豎直方向失去了泡沫板的支撐，會向下運動從而落入杯中。除了被“嚇了一跳”，雞蛋毫發(fā)無損（圖8）。

離心現(xiàn)象的本質(zhì)也是慣性。找個塑料杯，在杯口部位扎幾個洞，分別用線拴牢，然后將線系牢在另外一根線上。在杯內(nèi)倒入適量的水，為了便于觀察，可以將水染上你喜歡的顏色，一個“水流星”就做好了（圖9）?，F(xiàn)在抓住那根線，掄起塑料杯，讓杯子和水在豎直平面內(nèi)做圓周運動，水一滴都不會灑出來。

當然，我們也可以做一個更驚險的實驗。水平桌面上鋪上臺布，在臺布上放一些碗碟杯盞。將臺布迅速抽走，那些碗碟杯盞會穩(wěn)穩(wěn)地留在桌面上。注意這幾個細節(jié)，表演成功的概率會大大增加。第一，臺布不要有卷邊、花紋，表面越平整、光滑越好；第二，選擇底部沒有防滑設計的物品；第三，物品的質(zhì)量盡量大一些，如果是空的容器，可以在里面倒些水；第四，物品盡量選擇“矮胖子”，因為重心越低，穩(wěn)度越高（圖10）。

最后，請大家思考一下，假如地球突然停止轉(zhuǎn)動，會發(fā)生哪些現(xiàn)象？

由于慣性，高大的山峰就像剎車時乘客的反應那樣，向東傾斜，山頂?shù)难浪?，山峰也可能折斷，甚至誘發(fā)火山爆發(fā)；海水向東傾斜，引發(fā)海嘯；高樓也可能歪斜；大氣由于慣性，繼續(xù)向東運動，會吹起沙塵暴。赤道上的物體，將以1670km/h的速度向前拋出。所以，哪怕地球只停轉(zhuǎn)1秒，也可能導致生命就此滅絕。