在這樣的高鐵裡牛頓運動定律不成立,該怎麼辦?

2020-12-05 刁博

在室內讓一架無人機懸停在空中,此時無人機受到重力和空氣給它的升力作用,根據牛頓運動定律可知,這兩個力的大小相等方向相反。

若是在勻速行駛的高鐵中懸停起一架無人機,此時無人機相對於地面也是在做勻速直線運動。牛頓運動定律再次告訴你,無人機受到的重力和升力大小相等方向相反。你坐在座椅上看著無人機,此時隨著高鐵勻速運動的你也會受到重力和座椅對你的支持力,牛頓運動定律還會告訴你,這兩個力大小相等方向相反。在牛頓力學中,物體靜止或勻速直線運動時,受到的合力為零。合力為零的時候,物體只能處於靜止或勻速運動狀態。

假若有一輛高鐵出了故障,啟動時會猛的一加速,此時你會向後一仰;若是猛的一減速,你會向前傾。那麼剛才懸停在車廂內的無人機會怎麼樣呢?其實和人向前傾向後仰是一個道理,車廂減速的時候無人機會和人一樣向前衝;車廂加速的時候也會和人一樣向後撤。

此時你可能發現了新問題,無人機只受到向下的重力和向上的升力,並且兩個力大小相等方向相反,它應該處在靜止或勻速運動狀態。為何高鐵加速及減速的時候,無人機的運動狀態會發生改變?難道牛頓運動定律在這裡不成立了?

沒錯,牛頓運動定律在這裡就是不成立。牛頓運動定律只適用於慣性系,不適用於非慣性系。靜止的地面是慣性系,相對於一個慣性系靜止或勻速運動的參考系也是慣性系,相對於慣性系做變速運動的參考系是非慣性系。

在無人機的例子中,地面是一個慣性系,房間相對於地面靜止因此也是慣性系。無人機在室內懸停時受力平衡,正好符合牛頓運動定律。勻速行駛的高鐵也是一個慣性系,無人機隨高鐵勻速運動,相對於高鐵靜止的無人機受力平衡,牛頓運動定律依然成立。當高鐵變速運動時,無人機依然相對於地面勻速運動。因此在地面這個慣性系中看無人機,受重力和升力而平衡的無人機合力為零,它的勻速運動正好符合牛頓運動定律。而在車廂非慣性系中,受力平衡的無人機相對於車廂卻是在做變速運動,牛頓運動定律不再成立。

為了讓牛頓運動定律能夠在非慣性系中繼續使用,可以引入「慣性力」這個概念。慣性力是一個虛擬的力,並不是真實存在的,引入慣性力後牛頓運動定律就能夠成立。比如地球是在自轉,嚴格地說來地面也是在做變速運動的,因此也會出現牛頓運動定律不成立的情況。比如物體的自由落體運動,如果地球是嚴格的慣性系,物體做自由落體運動時軌跡應該是豎直的直線,而實際上由於地球是非慣性系,自由落體運動會存在東偏,這種現象叫落體東偏。豎直下落才是符合牛頓運動定律的,落體東偏不符合牛頓運動定律,引入一個慣性力科裡奧利力後落體東偏就可以在牛頓力學框架中得到圓滿解釋。

在高鐵突然做變速運動時,受力平衡無人機會相對於高鐵做變速運動。此時也可以引入一個慣性力,這個慣性系的方向和無人機相對於車廂的運動方向一致,這樣就可以用牛頓運動定律解釋無人機的運動了。

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