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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 

动能可以像速度一样进行分解,这个是有实质用途的。刚刚在朱顶余先生的《我就闹不明白了,为什么只有中国物理学会主席 物理学最大权威 赵凯华老人家才乐意搭理朱顶余》帖子中,我就使用了这个原理,把能量分解成两个分量,形成两个分量的能量守恒式子。再和矢量的分量做出的动量守恒的式子分别进行运算。结果是成功的。
 [4楼]  作者:tyger01  发表时间: 2015/01/29 14:15 

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 [5楼]  作者:tyger01  发表时间: 2015/01/30 07:25 

我反回来年地一下我4楼的回复,感觉好像没说明白,我想再举个更有意义的例子:

比如在没有任何其他参照物的前提下,只有两个物体,一个质量很大,一个质量很小。二者间有被压缩的一弹簧被释放,导致二者间受到了大小相等,方向相反的力。

显然,因为没有任何其他参照物,那么小物体以自己为参照物时,感觉受对大质量物体施加了力的作用使大物体产生了加速度。
而在大质量的物体看,则相反,是小质量物体在它施加的作用力下产生了加速度。显然,力相同,相对的加速度是相同的,然而,质量却不同。这说明在某些条件下质量存在但并不一定能表现出来,但是质量是确定的,并不会因为没有或没有完全表现出来就不存在或变小。而惯性则并不一定因为存在质量而一定能表现出来。因此,惯性只是质量的外在表现,但并不一定与质量等价。

我们不能站在绝对静止的参照物上表达力,因为事实上没有绝对静止的无限大质量的物体。就算是地球,在受到力的作用时,比如一个人跳高,也会有加速度,只不过人登地的那一点点的力相对地球的质量来说实在是太小了,以至于产生的加速度小得无法测量。但是测量不出来不代表没有。因此从数学精度上说,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。

如果把地面换成船也许这种效果就会更明显了。
在封闭的船上,人跳远时的加速度虽然是相对船的,但是事实上相对绝对空间而言,是船与人的加速度之和。只是我们无法感觉绝对空间的存在,因为没有参照物。

如果是一个很小的船,比如船与人的质量相同,以水为参照物时,(忽略水和阻力作用),就绝对不能忽略船的加速度了,但是相对船而言,在相同的力的作用下,人产生一定的加速度,而相对人而言,则是船在那样的作用力下产生了加速度。而相对水面而言,则船和人都有大小相等方向相反的加速度。

力相同,人相对船的加速度是人相对水的加速度的两倍。可见在不同参照系下观测到的惯性大小是不同的,但是质量不会改变。




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

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 [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 

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[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 

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[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 

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[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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