一個傳統文化工作者眼中的牛頓三大定律

2020-12-03 隱士申子源

牛頓運動定律包括牛頓第一運動定律、牛頓第二運動定律和牛頓第三運動定律三條定律,由艾薩克·牛頓在1687年於《自然哲學的數學原理》一書中總結提出。

第一定律說明了力的含義:力是改變物體運動狀態的原因;

第二定律指出了力的作用效果:力使物體獲得加速度;

第三定律揭示出力的本質:力是物體間的相互作用。

牛頓運動定律中的各定律互相獨立,且內在邏輯符合自洽一致性。其適用範圍是經典力學範圍,適用條件是質點、慣性參考系以及宏觀、低速運動問題。牛頓運動定律闡釋了牛頓力學的完整體系,闡述了經典力學中基本的運動規律,在各領域上應用廣泛。

我們就從牛頓第一定律說起,這種關於力是改變物體運動狀態的原因的說法,其起源可以追溯到古希臘時代的哲學思辨歷史。

伽利略最早否定了亞里斯多德力是維持物體運動狀態的原因的論斷,我們還原到亞里斯多德時代關於力的思考,那個時代就是一個純人力的時代,最多就是動物拉車,比如馬車牛車這些東西。

人們去觀察大自然的時候,觀察運動現象的時候,比如人在走動的時候需要用到力,馬拉車,牛拉車,都需要力,運動需要力的支撐,運動的物體必須要有力去持續作用他們,那個時代還沒有做功的概念,不知道那個時候,對於山上滾下來的石頭的運動又作何解釋了?

伽利略天生就是為了否定亞里斯多德而存在的,1589年的一天,比薩大學青年數學講師,年方25歲的伽利略,同他的辯論對手及許多人一道來到比薩斜塔。伽利略登上塔頂,將一個重100磅和一個重一磅的鐵球同時拋下。在眾目睽睽之下,兩個鐵球出人意料地差不多是平行地一齊落到地上。面對這個無情的實驗,在場觀看的人個個目瞪口呆,不知所措。因為亞里斯多德又一次被證明是錯誤的,人們對力學的認知,從實驗的角度,提高了一個層面。

人們開始重新思考力和速度之間的關係了。

笛卡爾認為物體不受力時運動方向將不會改變,到了笛卡爾時代,人們對力和運動有了更深刻的認知。

最終牛頓提出了牛頓第一定律:物體在不受外力的情況下,靜止或做勻速直線運動。

世界上在人眼可以觀察的物體的運動中,沒有永恆的運動,也沒有絕對的靜止,比如在道路上運行的任何滑動的物體,考慮到摩擦力,空氣阻力,重力,慣性等作用。

牛頓第一定律是成立的。但是在實驗室是觀察不到永恆運動的。

但是,當人們的觀察更加宏觀或者更加微觀的事物的時候,發現有趣的現象出現了。

比如,對於宏觀天體的運動,從來沒有感覺到日月五星,地球自轉公轉,有停下來的趨勢;

對於微觀世界,一杯水裡面的分子,總是在運動;

關於天體和分子微粒,誰給他們最初的力,然後什麼樣的力量才可以讓他們改變運動狀態,甚至人們會考慮一個問題,到底要用什麼樣的力量才可以使得一顆天體,使得那些運動的分子靜止下來。

當分子靜止下來之後,他們裡面的原子核,電子也會停止運動嗎?

其實,關於分子熱運動,現在的人肯定都不會陌生,比如微波爐、電磁爐的工作原理。

我們繼續看牛頓第二定律吧,力使物體獲得加速度;對於一個運算運動的物體,力使得這個物體加速或者減速,當人們給物體一個均勻的力,產生一個恆定的加速度值,這個方程是很簡潔的,比如地球引力產生的重力加速度。

注意,地球引力也是有一定的適用範圍的,比如在很遙遠的太空的某個物體,地球的引力就對這個物體產生不了作用了。

很多時候,力對物體運動的產生的加速度並不是恆定的值,也就是力並不恆定,這個時候,引用了複雜的方程和微積分知識,就可以建立很好的數理運算模型。

微積分的意義不僅僅在於算面積,算田畝,在使用到數學工具的各個學科都有很廣泛的用途。

關於牛頓第三定律,力是物體間的相互作用;其實,這不僅是一個純粹的物理問題,同樣也是一個很高深的哲學問題。

關於力的定義:力是物體之間的相互作用。力的大小、方向、作用點是力的三要素。

力的國際單位:牛頓,簡稱牛,符號是N。這是為了紀念英國科學家艾薩克·牛頓而命名的。

1 N=1 kg·m/(s^2),用單位質量的物體的運動加速度來定義。在此之前,人用匹作為力的單位,匹,馬匹。

力的分類:根據力的性質可分為重力、萬有引力、彈力、摩擦力、分子力、電磁力、核力等。

現代物理學把力進行統一,認為自然界有四種基本力:萬有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力;可以通過場進行統一。

力的作用效果:力可以使物體發生形變;力可以改變物體的運動狀態(速度大小、運動方向,兩者至少有一個會發生改變)。

隨著人們對力學的本質現象的理解,發展起來熱力學物理體系,物體的運動,作用力和物體的熱量變化,以及做功多少,進行聯繫。

但是人們還是一直無法突破到天體宏觀尺度,以及原子尺度微觀尺度的物理研究。

一直到了波爾的量子化理論,愛因斯坦的質能方程和相對論,人們才真正的突破了分子水平的物理學研究,進入到原子能層面。

當然,在這些理論的支持下,我們現在的世界才有了核電和原子彈。

在愛因斯坦的質能方程裡面,展示一個道理,要產生巨大的核能量,必須要損耗掉物質的質量。

這是否隱藏著更加宏觀的作用力和反作用力,意味著能量並不是憑空產生,是以消耗物質能量為代價的。

這種相對的關係,會不會觸發人們對正反事物的相對機制的思考,它們裡面是否隱藏著某些聯繫,甚至更加簡潔的方程式?

好吧,我要說的是太極陰陽互化的數理模型,是不是就是 如此直接的告訴大家的。

如果連作用力和反作用,都不能理解,還要去研究陰陽互化,豈不是太可笑了嗎?

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