强大而有趣的惯性

张军

运动员跳远时先来一段助跑，路面太滑导致行人摔倒，汽车急刹车时乘客会前倾，篮球离开手还能飞向篮筐，晒完被子后拍一拍就会腾起灰尘，鸭子上岸后抖抖翅膀便将水珠甩掉……这些司空见惯的现象中，都包含着惯性知识。今天，我们就来聊一聊无处不在的惯性。

什么是惯性

惯性是物体的固有属性，不管物体呈现什么状态、是否运动、温度多高，都具有惯性。惯性就是保持“原有运动状态不变”的性质，这个“原有”指的是“某个事件”发生之前。当然，有没有这个“事件”并不影响物体本身具有惯性。

举个例子，汽车突然启动时，乘客会向后倾倒。这个情境中涉及两个物体，一个是乘客，这是我们要研究的对象；一个是汽车，是相关对象。研究对象与相关对象（乘客和车）原来都处于静止状态，当事件发生时——相关对象（车）突然运动，改变了原来的静止状态，但由于研究对象（乘客）具有惯性，还要保持原来的静止状态。乘客与车接触的部位（比如脚、屁股等）由于摩擦等原因和车一起运动，没有和车接触的部位，对于和车接触的部位来说发生了相对运动，表现为身体的上半部分向后倾倒。同样的道理，当行驶的汽车突然减速时，乘客会前倾。

我们在家可以模仿乘客向前或向后倾倒的现象。在静止的小车上放一杯水，这时水面是水平的。当小车突然运动起来，水会向后倾，导致水面出现前低后高的坡面（图1甲，红色箭头表示前进方向，下同）。如果行驶的小车突然减速呢？水就会向前倾，水面呈现前高后低的坡面（图1乙）。这里的水就是“乘客”。把问题变一下，如果这是一辆油罐车，油没有装满，留下了气泡，那么刹车时气泡往前还是往后运动？这时的“乘客”是油，“乘客”前倾，将气泡挤向了后方（图1丙）。那么，气泡没有惯性吗？有，但是油的惯性更大。影响惯性大小的唯一因素是质量，质量越大，惯性越大，运动状态越不容易改变。

很多同学可能都会有这样一个疑问：地球在从西向东自转，为什么我们从地面上某点A竖直向上起跳时，还能落到原来的起跳点呢？原因就是我们具有惯性。在我们起跳之前，和地球具有相同的自西向东的速度v；当我们的脚竖直向上离开地面时，并不改变原有的向东运动速度v，那个起跳点A也在以同样的速度v向东运动（图2）。所以，我们不能用在原地起跳的方式去周游世界。

假设飞机始终匀速水平飞行，不考虑空气阻力，那么竖直向下自由掉落的炸弹会排成什么图形呢？当炸弹离开飞机，竖直方向由于受到重力作用，向下做加速运动；而水平方向，由于惯性，还保持和飞机原来相同的速度向前飞行。所有自由掉落的炸弹水平方向的速度都相等，所以炸弹会在飞机下方排成一条竖直的纵队（图3）。

惯性与速度无关

有人认为，速度越大，惯性越大。理由是，速度大的车辆难以刹车。我们不妨来分析一下。

假定有甲、乙、丙三辆小车，质量分别是1kg、2kg、10kg，都在平直路上以20m/s速度行驶。现在遇到突发情况后一起刹车，假设刹车时受到的阻力都是10N。根据牛顿第二定律，每过1s，甲车速度减小10m/s，乙车速度减小5m/s，丙车速度减小1m/s。哪辆车容易减速？或者说，哪辆车的运动状态容易改变？当然是质量小的甲车。现在假定，三辆车原来的速度更大，是30m/s，在10N的阻力下，每过1s，甲车速度依然减小10m/s，乙车速度依然减小5m/s，丙车速度依然减小1m/s。运动状态改变的难易程度并没有改变，也就是说，运动状态改变的难易程度，说的不是速度改变的多少，而是速度改变的快慢！

当然，上面的例子中，若甲车以20m/s速度行驶，2s后速度减小到零；若甲车以30m/s速度行驶，则3s后速度减小到零。初速度越大，速度减小到零所用的时间越长，但是单位时间内速度的减小值依然没变。

惯性的应用与危害预防

在不知道“惯性”这个概念之前，人类就在利用惯性了。

冬天清除路面积雪时，我们并不需要用铲子端着雪跑到路边再倒掉，只要握紧铲柄用力一甩，铲子上的雪就会飞出去。甩动铲子和雪时，雪（研究对象）和铲子（相关对象）原来一起处于运动状态，当铲子突然停止运动，雪由于惯性，还要保持原来的运动状态继续向前运动，就脱离铲子飞出去了（图4）。同样，给锅炉加煤，也只要用铲子将煤甩进炉膛里就可以了，而不需要将铲子也塞进炉膛里。

绊马索利用的也是惯性。当骑兵骑马飞奔而来，隐藏的绊马索突然被拉直，拦住了马匹的腿部。马腿的速度迅速减小，而马的身体和马背上的骑兵仍然以原来的速度向前运动，结果骑兵会从马背上被甩向前方地面，马也会向前翻倒。如今，绊马索被改良成了警用装备。高压气体将缠绕绳连同重锤一起射出，绳被作用对象的腿部挡住后，重锤由于惯性仍在向前运动，在对象腿部多次绕圈，起到了絆倒效果，从而提高了抓捕效率。

在助跑跳远时，运动员先要加速助跑，尽量提高起跳时的水平方向速度。运动员腾空时水平向前的速度几乎没变，在同样的腾空时间内可以跳得更远。家里的锤头松动时，我们会将锤柄朝下在地上撞击几下，锤柄被地面阻挡、停止运动时，锤头由于惯性依然向下运动，就会紧套在锤柄上。洗完衣服晾晒时，抓住衣服先用力抖动几下，利用衣服和水的惯性，可以让部分水珠从衣服上甩落，同时可以让衣服舒展开来，增大水分蒸发的面积。足球离开了脚，还能向前滚动；篮球出手后，依然会飞向篮板；子弹出膛后，还在向前飞行；火箭关闭了发动机，还在向前运动；火车进站前停止驱动，还会滑行一段距离……这些都利用了惯性。

惯性带来的危害也是我们要防止的。司机和乘客都要系紧安全带，以免刹车、拐弯等带来的伤害。地面有霜冻时，车要减速慢行，避免来不及刹车造成事故。走路时，要避免被石头、台阶绊倒，等等。

在家做惯性实验

我们身边几乎所有的器材都可以拿来做惯性实验。惯性实验现象往往出乎人们的意料，因为大多数人思考问题的方式是“想当然”，而不是基于科学原理的理性分析。

找个烧杯或者塑料杯，加点水，不需要小车，用手在桌面上突然拖动杯子，或者让运动的杯子突然减速，我们就可以模拟车启动时乘客后倾或者车减速时乘客前倾的情景了（图5）。

在饮料瓶内装大半瓶水，在一个小玻璃瓶里装入适量水，然后口朝下插入饮料瓶内，可以让小玻璃瓶悬浮。现在让饮料瓶绕中轴线转动起来，饮料瓶里的小玻璃瓶会跟着转动吗？试一试，你就会发现，小玻璃瓶保持原来的静止状态不变。但如果长时间持续转动，由于水的黏滞，水和小玻璃瓶也会动起来。这时让饮料瓶停止转动，你会发现小玻璃瓶还会运动，停不下来（图6）。

找两个一样的鸡蛋，一生一熟，尝试在桌面上转动它们。生鸡蛋里面的蛋清、蛋黄和外壳并没有形成一体，当旋转生鸡蛋时，蛋壳在力的作用下开始转动，但是蛋黄和蛋清由于惯性要保持原来的静止状态，“拖累”了蛋壳，所以生鸡蛋不容易转动起来。但是，生鸡蛋一旦转动起来，蛋壳在桌面摩擦力的作用下减小转速时，蛋黄和蛋清由于惯性还想转下去，所以蛋壳迟迟不能停止转动。熟鸡蛋的情况刚好相反，容易转动起来，也容易停下来（图7）。

将玻璃杯放在水平桌面上，里面装上大半杯水。杯口放上一块泡沫板，然后在泡沫板上放置一個鸡蛋。沿水平方向快速击打泡沫板，泡沫板瞬间飞出。鸡蛋呢？由于惯性，水平方向上保持原来的静止状态，不会运动；但是竖直方向失去了泡沫板的支撑，会向下运动从而落入杯中。除了被“吓了一跳”，鸡蛋毫发无损（图8）。

离心现象的本质也是惯性。找个塑料杯，在杯口部位扎几个洞，分别用线拴牢，然后将线系牢在另外一根线上。在杯内倒入适量的水，为了便于观察，可以将水染上你喜欢的颜色，一个“水流星”就做好了（图9）。现在抓住那根线，抡起塑料杯，让杯子和水在竖直平面内做圆周运动，水一滴都不会洒出来。

当然，我们也可以做一个更惊险的实验。水平桌面上铺上台布，在台布上放一些碗碟杯盏。将台布迅速抽走，那些碗碟杯盏会稳稳地留在桌面上。注意这几个细节，表演成功的概率会大大增加。第一，台布不要有卷边、花纹，表面越平整、光滑越好；第二，选择底部没有防滑设计的物品；第三，物品的质量尽量大一些，如果是空的容器，可以在里面倒些水；第四，物品尽量选择“矮胖子”，因为重心越低，稳度越高（图10）。

最后，请大家思考一下，假如地球突然停止转动，会发生哪些现象？

由于惯性，高大的山峰就像刹车时乘客的反应那样，向东倾斜，山顶的雪会崩塌，山峰也可能折断，甚至诱发火山爆发；海水向东倾斜，引发海啸；高楼也可能歪斜；大气由于惯性，继续向东运动，会吹起沙尘暴。赤道上的物体，将以1670km/h的速度向前抛出。所以，哪怕地球只停转1秒，也可能导致生命就此灭绝。