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牛顿第一定律再解释
引文 牛顿第一定律：一切不受力的物体总保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。 牛顿第一定律，又称惯性定律。它阐明了力和惯性这两个物理概念，正确地解释了力和运动状态的关系，并提出了一切物体都具有保持其运动状态不变的属性——惯性。它是物理学中一条基本定律。 惯性：任何物体都具有的保持原来静止状态或匀速直线运动状态的性质，这种性质叫做惯性。 惯性是物体的固有属性。它不能被克服和避免。 惯性不是力。物质运动不须要力来维持，因而惯性不是维持物体运动状态的力。 惯性的大小表示物体运动状态改变的难易程度，它是由质量决定的。 惯性只与物体本身有关而与物体是否运动、是否受力无关。对任何物体，无论它是运动还是静止，无论是运动状态改变还是不变，物体都有惯性。 当物体受到外力改变其运动状态时，惯性表现为物体的速度要在原来的基础上发生变化以及变化的难易程度，因此物体的速度不能突变。 一、惯性有两种表现 牛顿第一定律中描述的物体总保持的静止或匀速直线运动状态，只能在物体不受力的情况下发生；当有外力迫使它改变这种状态时，那种静止或匀速直线运动状态就不存在了。显然当外力使物体的运动状态改变时，不能不说受力物体上有了加速度，而这正是牛顿第二定律描述的情况。从惯性存在的意义上说，第一与第二定律在分别描述无缝连接的物体运动的两种状态，分别代表物体的惯性保持和惯性反抗两种表现。 “惯性只与物体本身有关而与物体是否运动、是否受力无关。对任何物体，无论它是运动还是静止，无论是运动状态改变还是不变，物体都有惯性。”这种说法只适用于惯性存在的性质描述，因为物体的惯性表现跟受力与否泾渭分明。一个物体的惯性，在匀速运动和变速运动的两种情况中有不同的表现。第一种情况，物体在静止或匀速直线运动状态时，惯性的“任务”是保持这种状态不变，是一种纯粹的性质使然，不需要用力来维持。此时的惯性表现就是一种基本状态，谈不到它的大小，也说不出它是用什么方法和手段来保持运动状态不变的。第二种情况，物体在外力改变物体运动状态时，惯性的“任务”是有作用的反抗。同一个物体，物体运动状态改变小就容易，需用的外力就小；物体运动状态改变大就难，需用的外力就大。物体在任何情况下都有惯性,可以理解为惯性不会消失,不能说任何情况惯性的表现都相同。 “当物体受到外力改变其运动状态时，惯性表现为物体的速度要在原来的基础上发生变化以及变化的难易程度，因此物体的速度不能突变。”这种说法很委婉。为什么不简捷地说“惯性表现为速度变化的难易程度”呢？好似有不便直说之隐但难能否认，物体速度的变化就是运动状态改变,改变的难易程度就是改变时是费力还是省力，也就是需用外力的大小。物体上有外力与运动状态改变，正是合外力与物体的加速度成正比的力与运动的关系；由此触发了惯性的反抗作用,也正是惯性反抗提供了速度要在原来基础上发生变化的难易程度。“因此物体的速度不能突变”，这句话的意思似乎说惯性使物体的速度变化不能过大。毫无疑问，速度的变化就是有加速度，因此无论速度突变还是缓变只是加速度大小的问题。不能突变的说法可以使此话解释为惯性使加速度不能过大，显然这样说不合适。 惯性表现为物体保持运动状态不变容易理解，表现为对外力改变物体运动状态的反抗一直是被忽略或敷衍的问题。牛顿第一定律表达得很明确，说“直到外力改变这种状态为止”，就是说没有外力时物体作匀速直线运动，在有外力后惯性保持的运动状态结束了，也就意味着物体受外力后的惯性表现发生了变化。由此体现物体运动状态被迫改变时惯性的反作用：不使外力的侵犯行为不付出代价――它要受到惯性反抗对等的力。 二、惯性大小有作用 在惯性解释中，常听说惯性有大小,又说惯性大小不是力。这不能不说是惯性认识的纠结。何谓惯性的大小？惯性是物体固有的性质，性质怎么有大小呢。看来,惯性大小是一种非术语的俗称,含糊其辞的用以表示惯性作用的程度。“惯性的大小表示物体运动状态改变的难易程度”，有难易的一方面说这种改变要用力的，只有付出力的代价才能感受改变的难易程度；另一方面也说明改变物体运动状态时受到了阻力，难易程度就表示受到阻力的大小。阻力是什么力，绝不是空气的或固体接触面上的摩擦阻力，因为那种阻力包括在合外力中已被部分外力抵消。其实这种找不到施力物体的阻力就是惯性的大小，发生于受力后加速运动的物体本身。 在一个光滑的平面上用手推一物体，若物体的惯性只是特定的性质而与力无关，那么推物体的力就不成立。因为力总是成对出现并互相作用，不存在无反作用力的单独接触力。若惯性不能表现为力的作用，推任何质量的物体也跟出手打空拳一样，没有被推物轻重的感觉，也就无从谈起用多大力了。光滑平面上不管物体的质量多大，要推总能推得动，而且物体运动后不需再用力来维持。两物体静止时，不能说质量大的惯性大，只有静止与运动的相互转变或运动速度大小的相互转变时才能谈到惯性的大小。物体的静止与匀速直线运动的惯性是等效的，而且物体的运动速度寄寓在物体的质量上，当匀速直线运动没有惯性大小时，这时的物体质量也就与惯性大小无关。实际上用质量大小来衡量惯性大小是有条件的，要在物体的运动状态改变相同时才有质量大者惯性大质量小者惯性小，但这时改变物体速度用力就不同了。 再举例说明,匀速直线运动的同型号空车和载重车，无论速度是相等还是不相等都说不出惯性谁大谁小，只有加速或刹车时才能谈到惯性的大小。相同质量的两辆汽车，以不同的速度行驶，若两车用相等的刹车力，则两车的加速度相同，惯性大小相同，但快车的刹车距离大；若两车的刹车距离相等，则快车的刹车力大，表现为快车的加速度大和惯性大。这个例子表明，同质量速度不同的车，速度变化快的惯性大，速度变化相同则变化过程不同。质量的大小影响惯性的大小，但不是影响惯性大小的惟一因素，说惯性的大小的由质量惟一决定是错误的。只须简单的实验就可得到结论：加速度一定，质量大的物体运动状态改变需要的力要大，质量小的物体运动状态改变需要的力要小；质量一定，加速度大的物体需要的力大，加速度小的物体需要的力小。 上述表明，惯性的大小由质量与加速度共同决定。比如地面上的1块砖与捆绑在一起的10块砖，在静止（具体的静止靠摩擦力作用）时没有惯性大小的比较问题，只有在由静止变运动或由运动变静止时，才有惯性大小的比较。这种运动状态的改变需要有外力的作用，而运动状态改变就有了加速度。如果1块砖的加速度比10块砖的加速度大10倍，显然在1块和10块砖上所用的外力相同，也就是改变两物体的运动状态的难易程度相同，或者说发生在1块砖与10块砖的惯性大小相同。这里说的外力包括动力与阻力，在物体由静止到运动或由慢速变快速时，外力属于动力；物体由运动变静止或由快速变慢速时，外力属于阻力。 惯性是如何转化为惯性大小的，请看下面例子：许多人都有这样的经验，松动的锤头和锤柄在硬地面上蹾几下，锤头就能套紧在锤柄上。手拿锤柄与套在锤柄上的锤头同时向下运动，锤柄遇阻碍突然停止运动，锤头没锤柄那样的阻碍因惯性还要向下运动，但锤柄与锤头间要产生摩擦力阻碍锤头运动。这个摩擦阻力就是改变锤头原来运动状态的外力。锤头的惯性保持原来的运动状态受到摩擦阻力，就转化为对抗摩擦阻力的惯性大小发生并作用在锤头上（相当于别物体敲击在锤头上），从而使锤头套紧在锤柄上。 惯性的大小是惯性表现的对外力的抗拒作用，既然与加速度和质量都有关系，也就是与牛顿第二定律有关系。因此，人们通常说的以满足第一定律的惯性与表达第二定律的惯性大小是两个不同的概念，惯性的性质只能定性描述不可以定量量度，惯性的大小可以定量量度,这种定量量度必定由质量与加速度的乘积来确定。 三、惯性运动 惯性状态分静止状态和运动状态,但应用最多的是惯性的运动状态。惯性的运动状态可简称为惯性运动。克服和利用物体的惯性运动，是人类制造机械设备、交通工具和发射卫星飞船要考虑的问题。惯性概念的定义表达惯性的保持性质，惯性规律描述惯性的理想状态也包括惯性运动，因而惯性运动说法要比惯性表述更适合具体应用。 惯性在很多时候被认为是物体保持匀速直线运动，但事实上不存在无人工干预的物体的匀速运动。经验告诉我们，抛出的物体保持运动的时间并不长，说明地面上任何运动的物体都要受到外部阻力最终停下来。地球上物体保持静止常见，保持没有动力维持的长时间运动见不到。宇宙空间中物体运动没有摩擦阻力但受天体的引力影响，要作曲线运动（包括绕天体圆周运动）。由于物体的匀速直线运动事实上并不存在，比较合理的认识是不计阻力影响和是否严格的直线运动将物体无动力运动视为惯性运动。人们平时说的惯性就指这种无动力有阻力的非匀速直线运动。 为什么物体的静止状态与匀速直线运动状态的惯性等效？在于,静止是相对的，运动是绝对的，任何被认定为静止的物体相对空间中其它物体又都是运动的。第一定律中的静止是抽象的，而实际的静止是具体的。抽象的静止仅联系物体的惯性，地面上具体的静止除惯性外更靠物体外界的静摩擦力维持。具体的静止在哪呢？静止在于两物体间无相对运动，因而尽管两物体都在运动，但两物体间存在着相互静止，如空中加油的两架飞机之间的静止。一物体被别物体承载并随它一道运动，此物体对承载物体没有位移，它相对承载物体就是静止的；地球上一切静止物体都是这种关系，人们通常说的静止即这种静止。具体的物体的静止状态和匀速直线运动状态惯性相同，即缘于在另外的参考系看来都在作惯性运动只不过速度不同而已。 物体作匀速直线运动，前提是物体不受外力，然而物体不受动力就要受阻力，可能存在的是物体合外力为零的情况。物体受力但合外力为零时的运动等价于无外力的运动，将合外力为零的匀速圆周运动包括进来，与匀速直线运动统称为惯性运动很有必要，但当前理论上还不可行，因为这样要与习惯的有加速度的运动叫做非惯性运动的说法相抵触。其实此问题的解决也不难，如果将物体的合外力不为零的运动定义为非惯性运动，那么合外力为零的运动就可以定义为惯性运动了。物体的合外力为零的惯性运动可分伪惯性运动和真惯性运动：平直公路上匀速直线运动的汽车上合外力为零，动力和阻力与运动方向在一线上，是伪惯性运动；忽略阻力的平面上物体受重力和支持力平衡的运动，物体上惯性离心力与向心力平衡的匀速圆周运动，这两种情况物体的合外力为零且力的方向与运动方向垂直，是真惯性运动。 第一定律最重要意义是说明惯性是维持物体运动状态不变的原因，力是结束物体惯性运动的原因。由于定律描述的物体保持匀速直线运动在事实上不存在，而且它与惯性概念定义的差别只在于有无外力改变的描述，以致人们在应用中有时不分惯性定律和惯性概念。虽然惯性定律超越事物的客观真实，但还是应该说惯性的匀速直线运动是理想的事物，作为规律是一种理论上的限度，具有参照基准的意义。 结束语 本文从解释牛顿第一定律的前提下说惯性，从惯性的规律和现象的角度再议论惯性，表达意思有作者早先的《惯性新说》等文章中的思想。物理力学中关于惯性解释有错误但问题不大，反正学生的学习应用是纸上谈兵；倒是有必要完善惯性理论，因为有缺陷的理论总是不令好事者满意的。 牛顿力学的惯性理论不完善,在理论的应用上产生许多牵强附会似是而非的问题，已到了彻底解决的时候了。作者关于牛顿三个定律的新解释修正补充惯性和力的理论，应该是为牛顿力学基础理论的最终完善作出的贡献。 作者：郭连成 2012年9月21日 于哈尔滨 |
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完善了惯性理论就能完善牛顿力学！牛顿力学完善了就可以抛弃相对论与量子论等一切错误的物理假说了！ ※※※※※※ 即别轻信人说的，也别坚信己学的，更别迷信书写的；只信亲眼能见的，而且亲手能算的，关键亲身能验的；科学事实 |