讨论:牛顿第三运动定律
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讨论
[编辑]牛顿第三定律,时常会被许多人一知半解地应用.这也许是因为以下几个原因:它从来就没有被详细地解释清楚、它经常被不正确地描述在许多刊物里(包括教科书)、猛然一看下,牛顿运动定律是反直觉的(参见那篇文章的历史观点与三条定律的字句)。
我们必须了解一点:牛顿第三定律内,所提到的反作用力是施加在另外一个物体,而不是作用力施加在的物体。举例而言,因为万有引力,当物体 A 吸引物体 B 时(作用力),物体 B 也同时吸引著物体 A(大小相同,方向相反的反作用力)。
我们必须记住另外一点:这反作用力的物理本质与作用力的是完全相同的。如果作用力是由万有引力而来,那么,反作用力也是由万有引力而来。因此,任何关于一个问题的研讨,如果结论是作用力与反作用力的物理本质不相同,则此结论必定是不正确的;我们必须抛弃这不正确的结论。
- 正确的分析**
- 地球循轨道绕着太阳运行。这是因为地球感受到太阳的万有引力(作用力)。这里,作用力的角色是向心力,保持地球在太阳的附近。同时,太阳感受到地球的万有引力于(反作用力),与作用力大小相同,方向相反(在这里, 拉引著太阳往地球移动}。因为太阳的质量超大于地球,看起来地球的拉引对于太阳并没有造成甚么反应;但事实上,太阳有反应。关于这两个物体联合的运动(忽略所有其它天体),一个正确的描述是,它们都循轨道绕着整个系统的质心运行。
- 思考一个铅球,垂悬在一根(不能伸展的)钢缆的末端。而钢缆的另一端连接于实验室的天花板.因为铅球的重量,它被拉向地球(作用力)。对应的反作用力是铅球施加于地球的万有引力: 这与钢缆完全无关;实际上,甚至在没有钢缆时,反作用力仍旧存在。从另一方面看,如果钢缆的张力将铅球向上拉扯,防止它下落,那么铅球也同时拉扯著钢缆,大小相同,方向相反。如果,对于天花板,这简单的系统是静止的(绝对没有加速度),牛顿第一定律指明,铅球所受到的净力等于零。我们已经知道,铅球受到两个不同的力(地球的地心引力与钢缆的张力)。我们可以断定,这两只力必然是大小相同,方向相反;也就是说,它们相互补偿。但是,这并不表示它们是一对作用力与反作用力。
- 为了要检查这些概念的解释是否正确,让我们把钢缆改换为弹簧。如果这新系统最初是静止的(相对于实验室的天花板)。则前面的分析也适合.但是,如果,这系统现在被微扰(例如,铅球被轻轻的推一下或拉一下),铅球开始上下震动。由于加速度的产生,根据牛顿第一定律,我们论定净力不等于零。可是,铅球与地球的质量都没有改变;铅球与地球质心之间的距离也几乎一样。所以,源于万有引力的作用力与反作用力仍旧不变。不同的是我们现在有一个动力系统,铅球所受到的万有引力暂时的与弹力失去平衡。弹力的大小与方向都随时间而改变(震动频律跟弹簧的弹簧常数有关)。弹力和弹簧的长度变化量成线性关系。
- 错误的分析**
- 牛顿第三定律时常是用一种简单的,但是不完全的与不正确的句子陈述出来:
- 作用力与反作用力的大小相同,方向相反。
- 对于每一道作用力,都有一道大小相同,方向相反的反作用力。
这些句子没有成功的清楚表述出,作用力与反作用力是施加于不同的物体。并不是因为两只力,正好大小相同,方向相反,它们就自动地形成了,符合牛顿第三定律的,一个作用力-反作用力的力对。
- 作用力与反作用力问题时常跟平衡问题混淆。例如,思考这个句子:
- 一本书稳定的直立在桌子上。因为,它的重量,一道将它往下拉的力,与桌子的反作用力,一道将它往上推的力,互相平衡。
如上所述,这并不符合牛顿第三定律的正确含意。既然两道力都施加于同一个物体,它们不可能成为作用力-反作用力的力对。无论如何,静止与牛顿第三定律是毫不相关的。特别注意,重量的概念时常会被误解。
- 另外一个非常普遍的错误声明:
明显的,如果一个物体,同时受到一道离心力与一道大小相同,方向相反的向心力,净力等于零;这物体不会呈现圆周运动。离心力是道伪力:只有在非惯性参考系内,才会测量出离心力的存在。
争议
[编辑]上述的情况有不清楚之处,原因在于未对系统作定义。 简而言之,既然讨论铅球与地球间的引力关系,就不应该将钢缆考虑进来。或者说,钢缆应该与铅球成一系统对应于地球引力。 另而言之,若只考虑到钢缆与铅球间的对应关系。则钢缆张力反作用于铅球重力,或铅球重力反作用于钢缆张力,便可成立。 以上是由系统的观察点而定。也符合第牛顿三定律。 我觉得,牛顿第三定律他并未对对于"力来源"作定义,所以我们不应该一厢情愿为其加上注解,并无限上纲。 与其作错误理解,宁可去推翻或修改之。
- 提到钢缆的主要目的,就是要显示出,铅球所受到的两种不同的力(地球的地心引力与钢缆的张力),并不是一对作用力与反作用力。老陈 (留言) 2008年11月17日 (一) 06:53 (UTC)
“成双结对的配对力“章节中“如右图所示,两位溜冰者溜冰者彼此施加于对方的力,大小相同,方向相反。” 多了一个溜冰者。Albert Ge(留言) 2018年2月12日 (一) 03:03 (UTC)
- 谢谢指出笔误,已修正。--老陈(留言) 2018年2月12日 (一) 23:26 (UTC)