昨天的章节详细介绍了什么是运动,也阐述了亚里士多德和伽利略对于运动的不同看法。
伽利略将自然哲学的定性研究转变为科学的定量分析和计算。 他创造了现代意义上的科学,也指出了科学研究的基本方法。
罗马不是一天建成的,物理学也不是一天建成的。
牛顿在亚里士多德和伽利略的基础上建立了一套完整的描述物体运动的理论,这就是著名的牛顿力学。
在昨天的文章中,我们详细扩展了伽利略对运动的理解。 当我们了解伽利略的发现时,我们会觉得牛顿运动三定律是非常自然的。
有些朋友可能没有看过昨天的文章,所以这里用一句话来概括伽利略对运动的理解:物体运动与否与它是否受力没有直接关系,运动不需要外力来维持。
上面这句话非常重要。 理解了这句话,再结合牛顿力学的运动三定律,我们会惊奇地发现,物体看似随机、不规则的运动,其实是可以描述和计算的。
现在,让我们看看这三个法律到底说了些什么。
当然,看到定律、定理之类的东西也不要头疼。 定律比定理更有趣。 读完它们,你会发现牛顿三定律也很有趣。
首先,我们来看看牛顿第一定律。
牛顿第一定律也称为惯性定律。 它解释了伽利略的一句话:“运动不需要力量来维持。”
也就是说,如果一个物体所受的净外力为0,那么它之前的速度仍然是之后的速度。
例如:科幻电影的场景中,经常会出现熟悉的画面;
当连接宇航员和飞船的绳索断裂时,宇航员就会以这样的速度漂流到太空深处,直到遇到外力他才会停下来(电影《火星救援》中就有这个场景)。
这就是为什么牛顿第一定律被称为惯性定律。 惯性也意味着惰性,即所有物体都是惰性的,不会主动改变自己的运动状态。
现在我们总结一下牛顿第一定律:当物体不受力或所受到的净外力为0时,它将保持静止或匀速直线运动(即速度的大小和方向不变) 。
上面来自航空航天的例子解释了伽利略的结论:“运动不需要力量来维持”。
那么,武力的作用是什么?
伽利略在后半句话中说:力是改变物体运动状态的力量。
也就是说,虽然运动本身不需要力来维持,但是如果想要改变运动的状态,比如宇航员不想飘到太空深处,想要返回飞船,就需要一个外力将其拉动。
但当我们知道力可以改变物体的运动状态后,一个新的问题就出现了。 需要多大的力才能改变物体的速度和状态?
为了定量计算力,我们需要使用牛顿第二定律。
虽然牛顿第二定律需要使用公式,但是你可以放心,它非常简单,一点也不复杂,保证容易理解。
力是如何计算的?
首先,由于力可以改变物体的速度,所以找到一个物理量来描述物体速度的变化。
例如:小车当前速度为6m/s,1秒后变为10m/s。 那么它的速度在1秒内变化10-6=4m/s。
但为什么汽车的速度会改变呢?
当然,改变汽车速度的是发动机的牵引力。 如果是马车,就是马的拉力改变了车的速度。
问题是,既然物体的速度发生了变化,那么必然有某种力作用在它上面。
那么,力的大小和速度的变化之间有什么关系呢?
力越大,速度变化就越大吗?
还有其他因素影响速度的变化吗?
回到上面的例子,但是为了更容易理解,把汽车换成马车。
如果我们用两匹马拉一辆马车,我们可以在1秒内将马车加速3m/s,但如果我们有四匹马,我们可能可以在1秒内将马车加速5m/s。
不过,哪怕只有一匹马,如果有足够的时间,比如三十秒,马车完全有可能提升更多的速度。
因此,特定光速的变化量是不公平的。
我们需要限制时间:在一定的时间内(比如1秒),物体的速度变化越大(即速度变化越快),其受到的力就越大。
根据上述情况,可以得出以下结论:净外力越大,物体的速度变化越快。 物体单位时间内速度的变化就是加速度的定义。
换句话说,我们用加速度这个物理量来描述物体速度变化的快慢。
简单来说:如果物体的速度不变,那么它的加速度等于0; 如果物体的速度在1秒内从2m/s增加到4m/s,则其加速度为2m/s²; 如果物体的速度在2秒内从1m/s增加到7m/s,那么它的加速度应该是(7-1)/2=3m/s²。
这样是不是清楚多了? 我们再重复一下上面的结论:物体受到的净外力越大,其速度变化越快,加速度也越大。
现在我们已经弄清楚了净外力对速度的影响,我们来考虑一下还有哪些因素会影响速度。
我相信你很聪明,已经想通了。
例如:春天马上就要到了,又到了一年一度的踏青的日子。 在这个阳光明媚的早晨牛顿第二定律,你骑着自行车,带着你最爱的女孩去享受微风。
那么,哪些因素会影响你和后座女孩一起骑行的速度呢?
很容易猜到。 90磅和190磅肯定会影响你的速度。
现在是不是很清楚了:物体的加速度不仅与净外力有关牛顿第二定律,还与质量有关。 质量越大,在相同拉力下获得的加速度越小,反之亦然。
好了,说了这么多,现在是牛顿第二定律登场的时候了。
牛顿第二定律:物体的加速度a与物体所受的净外力F成正比,与物体的质量m成反比。 写出的公式为F=ma。
这是牛顿力学中最重要的公式。 我们在学校都研究F=ma在各种情况下的应用。
牛顿第二定律也让我们能够从新的角度审视质量的概念。
质量已经成为衡量改变物体运动状态难度的物理量。 质量越大,它就越胖,它就越不想移动,改变它的状态所需的总外力就越大。
从这个角度来体验一下牛顿第二定律F=ma:外力(F)想要改变物体的运动状态(a),但质量(m)越大,越难被外力改变。力(F)。
上面我花了很多篇幅解释牛顿第二定律,因为这条定律非常重要,但我相信你已经明白了。
不要惊慌,不要因为第二定律而不敢去读第三定律。 第三定律是三个定律中最简单的一个。
为了防止小伙伴们打瞌睡,我尽量在100字之内解释清楚:
现在如果你用力推你旁边的墙,你是否感觉到墙也在用力推你? 你感觉这两个力大小相等、方向相反吗?
恭喜你,恭喜你提到了牛顿第三定律。
我们来看看牛顿第三定律的官方说法:两个相互作用的物体的作用力和反作用力大小相等,方向相反。
是不是很简单呢? 我们来看看牛顿的原话:“每一个作用都有一个相等的反作用”。 牛先生的话里难道没有提到“权力”二字吗?
但因为我们讨论的是牛顿力学,所以课本上直接用力和反作用力来表达,以方便理解。 当然,这一段是题外话。
现在我们了解了牛顿运动三定律,也就了解了牛顿力学的基础,接下来我们就可以根据牛顿力学来分析万物的运动了。
后面我们还会扩展物体如何运动、引力等(引力也与牛顿力学密不可分)。