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对一些知识的理解
[楼主] 作者:王普霖  发表时间:2015/01/27 15:35
点击:13059次

 惯性

物体的惯性大小是由质量衡量的。惯性自身并不是力。

改变一个物体运动状态需要外力克服惯性,但这个力不是这个物体的惯性力。

一个人用力拉水平光滑轨道上的重车加速,他感受到车对他有一个抵抗的力。这是车对施力人的反作用力。人不拉车,不会感受到这个力,车也不会自行加速、减速。零作用力下,物体维持原状态的特点就是惯性。

地面上一个汽车加速起来了,我们不能说汽车受到惯性力加速起来了。

两个具有不同惯性质量m1和m2,速度为v1和v2的运动物体互相作用,比如相互碰撞,它们之间互相提供减速和加速的外力,并且各自的受力大小永远相等,方向永远相反F1=-F2。

这里既不能体现出惯性大的物体给出的力大,也不能体现出惯性小的物体给出的力小。

运动的物体有能量、转动的飞轮有能量,想让它们释放出能量都必须外加阻力。施加外力是改变物体能量的唯一途径。

物理学没有反映物体“惯性力”的指标,只有反映惯性大小的质量。物理学只有F=ma(F是外力),没有F惯=ma。因此也就不能说“汽车在地面上依靠惯性力加速起来”。不能说就等于无用。

我们不能被封闭车厢蒙住眼睛,我们要实事求是,打开车厢。

在光滑的列车地面上放置一个静止物体M,列车加速度a时,我们确实看到物体相对列车反向加速了,但是我们不能说物体受到惯性力加速了。我们必须打开车窗看外面世界。我们将看到,车站、远处的大山M一直和物体保持相对静止。你说物体受到一个惯性力=ma即便勉强被车内人接受,但是车内人却无法接受大山受到一个惯性力=Ma,更不可能接受随着列车加速度的不同,大山受到不同的惯性力的说法。

如果问:大山受到惯性力=Ma加速起来,能量来自何方?是不是还要引出惯性能的概念呢?而大山的惯性能大小却取决于区区列车的加速度,岂不可笑?

常识告诉我们,大山和物体都没有受到加速力。车厢内物体的“加速”是假象。事实上,封闭车厢内的人是可以通过各种手段测量到是列车在加速的。仅凭眼睛看物体是得不到正确结论的。

如果通过封闭车厢内的测量知道了列车加速度,正确的参考系选择应该是那个“加速”的物体。因为人站在“加速”物体上是测量不出加速度的。这样选择参考系才是正确的。这样在列车内的物体上看,列车是加速的,一切符合牛顿定律。

错误的选择会得出错误的结论。惯性力就是在错误地选择了参考系后产生的概念。

 

相对速度 

什么是相对速度?两个物体相互有运动,它们之间就有相对速度。两个物体之间的相对速度不能被定义成两个物体的距离和时间的比值。

以相互做异面直线运动的物体为例,我先定义一个物体A的速度为静止,另外一个运动物体B必然会通过一个相对静止物体A静止的点P(x0,y0,z0),物体和静止点的位移和时间的比值是物体B相对物体A的相对速度。一个物体相对一个静止点的速度是V,那么它对整个空间所有静止点的速度都是V。

一个人以稳定步伐|V|从圆心向四面走去,除了方向不同,他相对圆心的速度都是|V|。如果他不从圆心出发,并且不沿半径方向行走,他相对圆心的速度也都是|V|。他沿圆周转圈,他相对圆心的速度也还是|V|。

 

动能可以像速度一样进行分解

一个运动物体,速度为V,它的动能是E=(1/2)mV^2

把这个物体的速度分解成Vx、Vy、Vz

则物体具有三个方向的动能分量Ex=(1/2)mVx^2、Ey=(1/2)mVy^2、Ez=(1/2)mVz^2

Ex+Ey+Ez=(1/2)mVx^2+Ey=(1/2)mVy^2+Ez=(1/2)mVz^2

=(1/2)m(Vx^2+Vy^2+Vz^2)

=(1/2)mV^2

=E

 

 

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[楼主]  [2楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/01/27 15:50 

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[楼主]  [3楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/01/27 19:43 

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 [4楼]  作者:tyger01  发表时间: 2015/01/29 14:15 

说反了,物质的质量大小是由惯性表现出来的。这就像是物体的大小是由长度、宽度、高度形状等因素表达出来的一样。

之所以说反了,是因为质量是实在的,不论物体运动还是静止,它的质量都存在。但是惯性却可以不表现出来,比如在物体不受任何力的情况下就表现不出来惯性。不会因为惯性没有表现出来就说物体没有质量。
 [5楼]  作者:tyger01  发表时间: 2015/01/30 07:25 

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[楼主]  [6楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/01/30 11:42 

正是因为质量是实在的,它才能作为惯性大小的量度。因为质量是基本量纲之一,并且有质量原器。物体的惯性大小是由质量衡量的。不能反着说物体的质量是由惯性量度的,因为你给不出式子。

也许你会说,质量可以用力和加速度量度。比如写成
m=F/a

这是本末倒置。你不能忘记,加速度a中具有两个基本量纲,长度和时间,是可以采用的。但是力F的单位牛顿,却不是单纯的基本量纲。牛顿是含有质量量纲的导出单位,它不是具有原器的物理量。因此它不能和加速度共同用来衡量质量。

如果非要这样做,就如同我们用一把普通米尺(根据米原器制造的复制品)来度量米原器。原则上是不可以的。

办法并不是没有,你可以制造一个力原器,让牛顿作为基本量纲,让质量千克成为导出单位。但是没人这么做。约定俗成的改不了了。

 [7楼]  作者:tyger01  发表时间: 2015/01/30 17:37 

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[楼主]  [8楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/01/30 17:44 

一个人用力向后蹬一下地面,这个人向前产生一个5 ms-2的加速度,如果他说他使地球产生了5 ms-2的加速度,那绝对是错误的。

你存在很多概念不清楚的地方,加速度是相对的就是你的错误之一。物理学不是凭“感觉”,也不是凭“看”就能论证的学问。你的这句“人跳高时的加速度实际上是地球与人的加速度的和。在人看地面以相同的加速度离开人,在地面看则是人以相同的加速度离开地面。”就是错误的。

人跳高时的加速度就是人的加速度,和地球的加速度没有关系。地球的加速度也就是地球的加速度,和人的加速度没有“和”的关系。加速度是一个力作用在一个物体上产生的效果,而不是作用在两个物体上的效果。你在地球上使用1牛顿力推动1千克物体和在月球上使用1牛顿力推动1千克物体,物体的加速度都是相同的,a=1米秒-2。它和地球、月球的后坐加速度没有一点关系。计算地球、月球的加速度要使用地球质量和月球质量和这个1牛顿的反作用力另行计算。加速度各是各的。

[楼主]  [9楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/01/30 17:44 

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[楼主]  [10楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/01/30 21:04 

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[楼主]  [11楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/01/31 06:44 

前面用公式说话,证明了相对加速度是不可行的,现在代入数字,用数字说话。假定m1=2 kg、m2=5 kg,它们之间有弹簧力F=1 N。此时它们的加速度a1=0.5 ms-2、a2=0.2 ms-2。这两个加速度都是相对它们的共同质心的。

如果我们站在m2角度看m1的加速度,也就是“相对加速度”确实是两个加速度之和a=a1+a2=0.7 ms-2,但是我们按照质量m1=2kg不变,它的受力应该是F1=m1a=1.4 N。

再换个位置看,站在m1角度看m2的加速度,确实还是两个加速度之和a=0.7ms-2,质量m2=5kg不变,它的受力应该是F1=m2a=3.5 N。

同样一个物理问题,从两个参考系看对方,给出两种完全不同的结果。而两种计算结果都不符合实际。这就是“用眼睛看”导致的必然结果。“用眼睛看”的相对加速度是一样的,不同的参考系得到物体受力不同的结果。但都和弹簧只给出1 N的力不相符合。

因此,你是用“相对加速度”这个错误概念设计了一个错误的理想实验,这个实验结果当然也就不能证明你的“惯性则并不一定因为存在质量而一定能表现出来”是对的。事实上,这个实验的参考系应该选在距离m1为s01=5m、距离m2为s02=2m的连线上(假设m1m2初始距离为7m),这个点是两者质心。它们和质心的距离之比是2.5.在这个质心上看,每一个物体的惯性、质量都能够完全显示出来。并且符合牛顿定律。这个质心是速度不变的(含静止),假如质心速度为零,并且在零点,那么1秒后,s1=s01+(1/2)a1t^2=5+0.25=5.25m,
s2=s02+(1/2)a2t^2=2+0.1=2.1m,它们的距离之比还是2.5。一直加速下去,这个比值不变。这个质心是稳定的参考系,是唯一正确的参考系。在这个参考系下,牛顿定律表现得完全彻底,质量、惯性没有一丝一毫表现不充分。
[楼主]  [12楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/01/31 06:54 

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 [13楼]  作者:tyger01  发表时间: 2015/02/01 20:06 

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[楼主]  [14楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/02 05:35 

对于已知质量m1、m2的两体来说,a1=F/m1、a2=F/m2。我们定义其中任意一个物体为参考系,看到另外一个物体的加速度就是相对加速度了,我们把两个加速度相加,得到了一个“相对加速度”,前面[10楼]我已经给出了一个相对加速度的式子:

a=a1+a2=F/m1+F/m2=F(m1+m2)/m1m2

显然 F=a m1m2/(m1+m2)

现在令mp=m1m2/(m1+m2)

这个式子就写成了F=mp a
依然是牛顿定律的形式,但是这里的加速度是相对加速度a,质量也是折中的质量mp了。我把mp叫做并联质量。

为什么叫并联质量呢?我们知道,两个电阻R1、R2并联,总电阻减小,满足1/R=1/R1+1/R2
于是就有R=R1R1/(R1+R2)
我这里也如是,mp=m1m2/(m1+m2),形式和电阻并联公式一样。因此我起名叫并联质量mp。并联质量小于任一物体质量,也如同并联电阻阻值小于任一电阻的阻值。p为下标,取自英语并联的字头。

这样变化以后,以任何一个物体为参考系,测量到另一物体的相对加速度a,都可以直接计算物体的受力了。它就是:
F=am1m2/(m1+m2)=mpa

以[11楼]的数据说话
我们无论站在哪个坐标系看,相对加速度都是a=a1+a2=0.7 ms-2,
m1=2 kg、m2=5 kg,那么并联质量mp=m1m2/(m1+m2)=2*5/(2+5)=10/7kg,
F=mpa=(10/7)*0.7=1N

根据式子F=am1m2/(m1+m2)=mpa,我们可以计算出,在地面上向上(或向下)加速的物体实际受力(假定力恒定)
F=aMm/(M+m)
通过这个式子,我们也看到了,地球质量因为相当大M>>m,因此Mm/(M+m)≈1,F≈ma。这就是道理。

通过这个式子,以物体为参照系看地球,也不会得出F=Ma的可笑结果。计算结果和以地球为参照系是一样的。因为我这里采用的质量是并联质量。这和作用力和反作用力相等也取得了一致。

这可以看作是牛顿第二定律的一种外延形式。
[楼主]  [15楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/02 07:43 

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[楼主]  [16楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/02 13:27 

对[13楼]前一问的答复迟迟没出来,现再简单回答一次。

两个同时开始做自由落体运动的小球,互相只以自己为参照物,看对方是相对静止。

两个相同加速度的列车并行加速,互相也只以自己为参照物,看对方也是相对静止。这就如同杨利伟被固定在座舱椅上加速升空一样,人和椅的相对关系。

但相对静止并不能说他们没加速度,没受力。仅凭看相对位置是不能看出是否处于加速的。必须使用仪器测量加速度。
[楼主]  [17楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/02 13:33 

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[楼主]  [18楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/03 04:34 
[楼主]  [19楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/03 09:56 

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 [20楼]  作者:tyger01  发表时间: 2015/02/03 13:16 

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[楼主]  [21楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/03 15:47 

参照系的选取,如同管中窥豹。正确的选择了参照系,观察到的物体运动就更加真实一些。但是参照系没有绝对的,能够选择的参照系都是有限的。在地球上看月亮的轨迹是圆,但换在太阳上看就是螺旋。哪个真?当然太阳上看更真一些。但是换在银河系看,月球的轨迹就更复杂了。站在遥遥的星系看,那可能就像电子云那样,已经无法用语言描述是什么样的轨迹了。只可以用乱七八糟来形容了。

但是,物理研究的是机理,你还不能说因为太阳变成黑洞了,不发光了,看不见了,就否定了这个参照系存在。因为你还在承认地球绕它旋转,旋转必有引力在。那么地球依然和黑洞之间构成两体,质心依然存在、黑洞和地球在互相环绕依然在继续。它们并不因为我们看不到它们而超脱出物理规律。相对也好,绝对也罢,都是我们试图研究它们时引入的。运动都是绝对的,但是运动的观测都是相对的。因为人们要描述它们的速度,就要选基准点,因而运动成为了“相对”。对于真实的运动,应该依赖绝对参照物,你说的绝对空间,但是我们找不到这个点在哪里。所以我以前引入过一个较真概念,就是比较而言哪个更真,来形容这个局面。

前面你说“在地球的自身来说,感觉自己并没有受任何力”这也只是你的感觉。人在环绕地球的太空舱内,人感觉失重了,但你是否就得出结论来说人没有受力?人还是受力了的。研究物理不能以人的感觉说事,失重的原理是力作用在人(或物)每一个原子上而失去支持产生的感觉,对于这些分子、原子依然都在受着力,产生着加速度。我们的思维要跳出自己的感觉,这一步很重要。

在地面上,重力同时作用在人的每个细胞上,而抵抗重力的力来自地面的支持力,人才不会被吸引到地心去。地面支持力却不像重力那样同时作用到每个细胞上,而是通过脚底向上传递、通过骨骼、细胞向上传递。脚底部分支持力最大,等于全身重量。越往上,需要传递的支持力越小,到达头顶达到最小。所以人站立久了感觉累,都是承重的脚、腿、腰椎、颈椎等,没有人喊头皮累了的。支持力在身体内形成力的梯度,这就是重的感觉。当人泡在水里,地球对人体的重力一点都没少,但是支持力变成了浮力,大面积作用于人身体表面,身体内失去了很大的力的梯度,因此人也感觉自己失去一部分重,感觉就轻松了。我有专题论述过失重。

所以说,感觉没有的东西,不一定不存在。研究物理要跳出这些感觉。人要把自己置之世外,客观地研究对象。比如我们置身地球以外,看到地球绕一个中心(看不到的太阳黑洞)旋转,我们就能知道地球在受力,而不是在地球上的感觉失去太阳的重力。虽然我们不能置身世外,但是我们的思维立场可以跑到那里去。

人感觉不到的东西,物是能够感觉到的。比如人在地面上,受到地球引力,感觉不到太阳、月球的引力,但是大海中的水能够感觉得到。它们会在引力的作用下产生潮汐。

只要人足够聪明,总有办法知道自己在绕黑洞转。
[楼主]  [22楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/03 18:02 

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[楼主]  [23楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/04 04:28 

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[楼主]  [24楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/04 15:22 

事实上,你说的这种情况非常容易判别,只是很多人不去想。

现在就假定宇宙空间一个星星都没有,太阳变成了黑洞(暂且不管有没有黑洞),不发光。把太阳和星光都弄没有了是为了造成无参照物可看,这也是你的目的。在地球轨道上有一前一后两个地球(Earth)E1、E2,以相同转速绕太阳黑洞转。轨道为正圆。但是天球是一片白,所以这两个球还都是被照亮了的,要考虑能够看见对方形体(这是必要的,否则你怎么看)。这就准备好了。

其实完全没必要假设太阳是黑洞,我测量时不使用背景光的效果参与测定、计算就是了。

我站在E1、E2连心线上E2这端,我向连心线E1端发射一枚炮弹,炮弹速度v已知并且恒定(先不考虑炮弹的受到的两球的引力)。炮弹自发射时对准E1端,此后就我观察炮弹在E1上的落点。如果这两个星球没有做环绕太阳的圆周运动,而是做一前一后的直线运动,则炮弹会在不受力的情况下,按照惯性做直线运动,会打中瞄准点。但是两球都绕太阳转,这个落点肯定偏离瞄准点,甚至根本不能击中E1。
炮弹相对太阳的的速度比两地球速度都大,因此,炮弹会选择一个椭圆轨道绕太阳运行,不会落到瞄准点上。

[楼主]  [25楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/05 02:42 

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[楼主]  [26楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/06 14:31 

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[楼主]  [27楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/06 16:14 

我这里提到的“一般人”泛指大众,这里没有丝毫贬低的意思,特此说明。
[楼主]  [28楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/02/06 20:00 

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[楼主]  [29楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/03/08 08:32 

绝对的就是绝对的。一个圆盘,半径是10米。圆周上面均匀分布8个人,每个人身边一个钟,显示的数值t10=1、t20=2……t30=3、……t80=8秒,他们以1米/秒相同速率同时沿半径走向圆心。它们到达圆心是绝对同时的,他们的速度和自己身边的钟无关,也和圆心上的钟无关。圆心上另有一个钟,在他们出发时的数值是tb0=9秒。
这些人走到圆心,如果按式子v=L/(tb-ta)计算,将计算出具有不同速度。假如他们在圆心钟的表示数tb1=19秒的会计算出
v1=10/(19-1)=0.55555555555555555555555555555556米/秒
v2=10/(19-2)=0.58823529411764705882352941176471米/秒
v3=10/(19-3)=0.625米/秒
……
v8=10/(19-8)=0.90909090909090909090909090909091米/秒
其实它们的速度都是1米/秒,但因为这是错误的算法,所以得出每个人的速度都不相等,这与8个人到达圆心的真实速度是不符合的。不符合实际的就是错误的。虽然声称约定了圆心钟tb0=9秒时和上面8个人旁边的钟是同时(物理同时,但表针指示不同),即实行了对钟约定。但在计算中并没有表达出来对钟约定。

看看我是如何约定的:
我约定t10=1秒时刻、t20=2秒时刻、t30=3秒时刻、……t80=8秒时刻和tb0=9秒时刻是处于物理同时。
我约定完立刻得到Δt1=-8秒、Δt2=-7秒、Δt3=-6秒……Δt8=-1秒
我用式子v=L/(tb-ta+Δt)计算
v1=10/(19-1-8)=1米/秒
v2=10/(19-2-7)=1米/秒
v3=10/(19-3-6)=1米/秒
……
v8=10/(19-8-1)=1米/秒
我计算出8个人的速度全一样,符合实际。我这个做法才是真正使用了对钟!对钟后,一定要把对钟结果应用到计算中去!而不是约定完了就完了。
[楼主]  [30楼]  作者:王普霖  发表时间: 2015/03/18 23:19 

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