對慣性的思考
作者：魏美蓮
單位：日照市五蓮縣街頭鎮初級中學
摘要：對經典力學範圍內現行的慣性觀提出了不同的看法，認為對於慣性要區分：個別研究物件的性質與存在的性質；保持某種狀態的性質與改變某種狀態的性質；物理學規律的動力學特性與審美性。
慣性與物體運動狀態變化的關係；慣性定律與牛頓第二定律的關係；慣性與具體物體的質量的關係；慣性定律的表述方式。
關鍵詞：慣性；存在；狀態；質量
慣性是經典力學中的乙個基本概念，同時它又是人們日常生活中的乙個基礎性觀念，並且慣性問題也是經常被物理學界討論的乙個話題。可是，儘管經典力學經過了漫長的發展時期，大部分的物理教師在此問題上還存在著很多的困惑，從幾個方面對慣性進行理解。
一、慣性的意義
慣性是物體保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質（1）。乙個物體，只要不受外力作用，原來靜止的就會一直靜止下去，而原來運動的則會一直作勻速直線運動。這裡的問題在於：
慣性是否是物體的性質？依據牛頓第一運動定律，任何物體均具有慣性。因而，看來慣性不是被研究物體的性質，因為這一性質是一切物體所具有的，也就是說它與物體的個別特徵無關。
因而，慣性只能是存在的乙個特徵，是存在於物體周圍的一種條件，一種約束。
慣性不是個別存在物的性質，個別存在物只是慣性的顯現者，慣性的本質與個別存在物的特性無關。從而我們就不能用反映個別存在物性質的量（例如質量）來測度慣性。因為慣性作為存在的一種顯現，並無大小可言，它只是存在之狀態的表達。
二、慣性與物體運動狀態變化的難易程度無關
通常認為質量是物體慣性大小的量度是據於這樣的理由：質量大的物體在相同的力作用下其運動狀態不容易改變。這是由牛頓第二定律所得到的基本結論。
而事實上物體運動狀態是否變化，物體運動狀態的變化是難還是容易是與慣性無關的。慣性所揭示出的物體之性質不在於其使（或抗拒）物體運動狀態的改變或代表改變的難易程度的能力，而在於它的保持某種特定狀態（靜止或勻速直線運動）的本領，因而慣性與物體的質量無關。倘若慣性與物體的質量有關的話，則我們也可以說力與慣性也有關係。
因為對於相同質量的物體而言，力越小其運動狀態就越難改變。因而，也即力越小物體的慣性越大。事實上，在慣性概念發展的最初時期，牛頓就將慣性與力進行等價的思考，當然現在大家知道牛頓的把慣性等同於力的思想是錯的了。
如果要說質量與慣性確有聯絡的話，也只能從這樣的乙個視角來看：慣性是由其表現物體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。
慣性是一種令人十分安全的、舒適的、和諧的存在之性質，它使物體的存在行為非常簡單，而人們也往往由於常見到這種存在的簡單性而忽視了它的深層含義。靜止的永遠靜止，運動的永遠作勻速直線運動，慣性就是將存在如此單調而重複地顯現在人們眼前。凡是背離了這兩種物體的存在情況而用慣性去解釋其存在原因的，作者以為均屬一種不當的詭辯行為。
可是這種詭辯行為不僅麻木了人的腦神經而且充斥著各種各樣的教科書，看一些下面的例子。
例1．慣性也有不利的一面，高速行駛的車輛因慣性而不能及時制動常造成交通事故。所以，在城市的市區，對機動車的車速都有一定的限制，以利於行車安全。（2）
在這裡，不能及時制動是由於慣性還是由於制動力不夠大？略作思考，讀者就可判斷出是由於後者。將慣性看成一種破壞力是十分荒唐的。
而發生交通事故的真正原因是，由於車輛質量較大，而相應的制動力在如此質量的物體上所產生的加速度很小，不能使車輛很快地減速，從而在短時間內停下來。倘若對於質量較大的車輛來說制動力也允許更大，那麼作者認為還是可以在一定的時間內制動車輛的。
並且，這個例子中的「高速行駛的車輛」及「對機動車的車速都有一定的限制」的字句很容易使學生認為慣性和物體的運動速度有關。這對於初學者來說是乙個很大的誤導。
例2．把斧柄的一端在水泥地面上撞擊幾下，斧頭就牢牢地套在斧柄上了，這是什麼緣故呢？（3）
通常標準答案是這樣的：開始斧頭和斧柄同時向下運動，當斧柄遇到障礙物時突然停止，而斧頭由於慣性保持原來的運動狀態，這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。
事實上，斧頭在斧柄上套牢是由於斧頭克服了阻力相對於斧柄運動了一段位移，而慣性不是克服某種阻力使斧頭運動的原因。在此問題中的乙個效果是斧頭相對於斧柄產生了某種（克服一定力的）運動，因而我們必須以斧柄為參照系來考察此種運動的實質。當以斧柄為參照時，實際上斧柄在撞擊的過程中是乙個非慣性係，它相對於慣性系有乙個向上的加速度。
因而斧頭在此參照系中必受到乙個向下的「慣性力」，正是此力與斧頭的重力克服了斧頭與斧柄之間的彈力與摩擦阻力使斧頭相對於斧柄前進了一段位移，從而使斧頭在斧柄上套牢。如果一定要以地面為參照系來看斧頭在斧柄上套牢的問題，那麼可以這樣認為：雖然斧頭在斧柄上向下套牢的過程中沒有受到除重力以外的向下的另外力，但相對於地面而言斧頭具有一定的動能和重力勢能，正是這個能量克服了阻力作功從而轉化為內能。
所以從效果上看，一是斧頭相對於斧柄向下移動了一段位移，二是斧頭與斧柄的接觸面上在發熱。
如果僅從動力學的角度來看，斧頭在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小與作用時間（或所通過的位移）所共同決定的，也就是說它和斧頭相對於斧柄的動能或動量變化有關。斧柄在「水泥地面」上「撞擊」這兩個條件只是使斧柄產生了相對於水泥地面的較大的動量變化率，從而也使斧頭具有了相對於斧柄的慣性力。但是，雖然這個慣性力構成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因，可嚴格地說，斧頭在斧柄上套得牢不牢的原因還和斧頭的重力及斧柄的彈性和斧頭與斧柄的摩擦力大小均有關係。
並且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時間也大有關係，因而，撞擊「幾下」也是乙個非常重要的條件。
例3．小車上豎直放置乙個木塊，讓木塊隨小車沿著桌面向右運動，當小車被檔板制動時，車上的木塊向右傾倒。這是怎麼回事呢？
教科書上的答案是這樣的：小車突然停止的時候，由於木塊和小車之間的摩擦，木塊的底部也隨著停止，可是木塊的上部由於慣性要保持原來的運動狀態，所以木塊向右傾倒。
事實上，本例中小車上木塊的傾倒是由於力矩作用的緣故。若以地面為參照物，小車對木塊的摩擦力對木塊的重心而言有乙個順時針旋轉的力矩，從而木塊向右傾倒。若以小車為參照物，小車被檔板制動時已是乙個非慣性係，作用在木塊（重心）上的「慣性力」對木塊的底端也產生乙個使木塊作順時針旋轉的力矩。
需要指出的是，在上述例2和例3中，斧頭在斧柄上套牢和木塊在小車上傾倒已是乙個涉及物體在非慣性係中的動力學的問題。其中例2是非慣性係中的質點動力學問題，而例3則是非慣性係中的剛體動力學問題。可是，在非慣性係中，我們通常意義上所論述的牛頓第一定律已不成立，從而也失去了此兩例的代表意義。
也就是說，這兩個例子不僅是不準確的解釋而且是不適當的例子。在涉及慣性的問題上我們必須分別那些是屬於慣性現象，而那些則不屬於慣性現象——即為動力學現象。牛頓的例子，毫無疑問是正確的，但我們許多的物理學工作者卻將慣性對事物的解釋範圍作了相當隨意而並不恰當的擴充套件或扭曲。
其實在講述慣性時，用不著舉更新鮮的特別例子，倒是需指出慣性使我們對事物常態的存在方式太熟視無睹了。這裡問題的關鍵在於，慣性不是使物體改變運動狀態（使火車制動、使斧頭套牢在斧柄上、使小木塊傾倒）的原因。嚴格地說，這些原因和物體的慣性無關，只和力有關，而至於火車制動得及時不及時，斧頭套在斧柄上牢不牢，小木塊傾倒得快不快，則不僅與力有關，還和物體的質量、形體、初速度有關。
但即使如此地與質量和初速有關卻也與慣性無關。
慣性，這個我們通常認為是由物體內在因素決定的性質，其實是物體存在方式的一種條件性，試取汽車為參考系統來研究'當汽車急劇剎車的時候，車中乘客有向前傾倒的傾向這個問題，在汽車急劇剎車前，相對於汽車而言，乘客是靜止的，在汽車急劇剎車時，乘客突然向前傾，這就是說，以汽車為參考系統，乘客由靜止而突然向前傾，並不保持其靜止狀態，並不表現出慣性。這個條件就是：物體要表現出慣性，它必須處於慣性參考係中。
所有的老師都要求學生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當我們的老師用動力學的觀點來看待慣性——也就是說，把慣性與牛頓第二定律混為一談的時候，對學生的這一期望是合適的嗎？其實這是乙個誤區：當教完一些物理學的基本概念與規律以後，就要求學生用它們解釋自然現象。
事實上，物理學中有些基本概念與規律不是要求我們去解釋自然現象，它沒有這個功能，它只是告訴我們要去感受些什麼，它提供給我們的不是一種推理的方式，而是乙個判斷的原則：它促成我們的判斷更接近於自然之美的呈現。
三、慣性定律與牛頓第二定律的關係
當物體所受的合外力為零時，從牛頓第二定律可知物體處於靜止狀態或作勻速直線運動。可是，僅依據這一點卻不能認為牛頓第一定律是牛頓第二定律的乙個特例。因為這兩個定律的論述物件其實是不一樣的。
牛頓第二定律的研究物件是乙個物體，而牛頓第一定律論述的是整個存在的性質。慣性——這個任何物體均具有的性質其實不是我們的個別研究物件所具有的性質，因為這個「任何物體」，包括了天地間的萬物，任何個別的物體都不可能無條件地具有慣性：慣性是存在的特性，是存在著的時空的特性，是宇宙的特性。
其次，牛頓第二定律是關於個別物體因果性的規律，而牛頓第一定律卻與個別物體的因果性無關，它是存在之狀態的表述，它的表述是與具體的特定的時間無關的、瞬時性的。正是這種非時間性構成了牛頓力學的本質特徵。由此可見，不僅牛頓第一定律不是牛頓第二定律和特例，恰恰相反，現行的動力學規律正是牛頓第一定律所揭示的存在之性在具體的個體事物上的展現。
慣性定律比牛頓第二定律具有更強的基礎性。也就是說，正是慣性現象，構成了牛頓動力學所以成立的操作平台。由於物體在不受外力作用下保持其速度不變，因而物體運動速度的變化才跟物體的受力相關。
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