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[物理] 作用力和反作用力的解释

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发表于 2014-8-22 16:30:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
作用力和反作用力的新解释

引文

牛顿第三定律:两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在一条直线上。
对于作用力和反作用力,如果把其中的任意一个力叫做作用力,那么另一个力就叫做反作用力

作用力和反作用力具有如下性质:
作用力和反作用力相互依存,它们互以对方为自己存在的前提;
作用力和反作用力同时产生,同时变化,同时消失;
作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上,各自产生效果,二力的效果不能相互抵消,不可求合力;
作用力和反作用力的性质相同,即二者属于同种性质的力。
注:引文内容引自教辅书。

一、作用力和反作用力中的因果关系

力的定义有两个都正确的说法----力是物体对物体的作用;力是物体间的相互作用。前一种说法是从一物体施力于另一物体的意义上说的;后一种说法是从物体间存在作用与反作用的关系上说的。物体对物体的作用,是一方主动施力另一方被动受力,但受力方同时要产生对施力方的反作用力;物体间的相互作用,是前一种说法的不同表述且含义有所扩大,包括双方都主动对对方施力。

一物体对另一物体有力作用,另一物体一定要回应以反作用;没有这个反作用回应,原作用力就不能成立。这种力不单一存在,总是等大反向共线出现在两个物体上的力构成力的配对,这两个配对的力即叫做作用力和反作用力。力的配对或配对力的意思是原本有一个力,要实现其作用必须再配上一个力,使其成为一对力。发生在一个物体上等大反向共线的二个力,叫做二力平衡或平衡力。二力平衡的二力大小等量,合力为零,能使力的运动效果抵消。二力平衡中两个力作用一物体,但一般不是要有两个物体作用一物体,而是如钳子镊子类机械物体自个就能产生一对等大的作用。

作用力和反作用力存在的问题在这样的表述中:“我们把其中的任意一个力叫做作用力,那么另一个力就叫做反作用力”。这种说法可谓任指作用力说。其实,这样任指作用力,不分力由谁发起必然产生认识和使用上的混乱;若某一受力问题中使用任指力说,就好像一个糊涂的研究者搬一物体时忽而说他搬物体忽而说物体搬他。在物理教材的力学章节中,有施力物体和受力物体两个概念。通常把两物体中主动发出力的物体叫做施力物体,另一个接受施力物体的力同时又产生反作用力的叫做受力物体。二物体之间的力构成作用力和反作用力,尽管二力同时发生且反向相等,但有主动与被动的因果关系。施力物体是主动一方,受力物体是被动一方。任指作用力说更有甚者,说施力物体与受力物体也可以任指,即把人推车说成车推人,有无意义不用说了。“施”与“受”的词义固定,不容颠倒。施受力关系不能颠倒,即可说人施力于车,同时受到车的反作用力;不可以说车施力于人,车受人的反作用力。

作用力和反作用力在两物体上反向相等的关系,在力问题中仅是个基本的前提,主要是表现力成对出现,知其一必知其二。力的问题主要是研究受力物体,已知施力物体发出的力求受力物体运动或变形的情况。任指作用力说因果不分甚至本末倒置,丢弃了力问题求解的本来目的。那种任何一力都可指认为作用力另一个为反作用力的解释,好像力是凭空产生自然存在的,不由谁发起及谁对谁产生效果,此说法在力学问题中是一种糊涂说法起糊涂作用。任指作用力说适合诡辩,比如一个劳动者提一桶水,管理者不承认劳动者用力,而说是水桶的重力作用使劳动者提水。作用力和反作用力不分谁是主动作用谁是被动作用,指认正确时尚可,指认颠倒时会得出荒唐的结论。如把某人被打耳光说成他用脸打了另一人的手。

事实上力的实践中,施力物体和受力物体及作用力和反作用力的顺序在应用上是明确的,如人们都说马拉车没人说车推马,就是依据事理逻辑而不任指施力物体和受力物体;再如喷气式飞机和火箭使用反作用,都说是反冲运动,没人说喷气是一种作用力。任指作用力应用中丝毫没有使问题简化简捷的意义,倒制造麻烦和添乱,应该摈弃。正确的做法不费周张,把施力物体的具有主动意义的力定为作用力,把受力物体给施力物体的只有被动意义的力定为反作用力,就符合逻辑名正言顺了,使理论和应用省去许多疑问和麻烦,何不乐而为之呢?

二、作用力和反作用力性质相同疑问的解释

作用力和反作用力无论从理论上说还是从经验上说都容易理解,但在解释上还有一个给人以疑问的问题,即“作用力和反作用力属于同种性质的力”的说法。拿石头和桌面的作用力和反作用力来说:一块石头放在一个桌面上,石头受地球的作用而有重力,也就对桌面施以石头的重力;桌面给石头一个反作用力,这个反作用力或叫弹力或叫支持力,而弹力属于性质力,支持力属于效果力。显然石头与桌面的相互作用力即不能叫做相同的性质力也不能说力的性质相同。其实,作用力和反作用力同性质说没错,有疑问也没错,问题出自从哪里看这两个相互作用力。

在力学上,通常把力分为性质力与效果力两大类:万有引力、重力、弹力、惯性力、静电力、磁力、核力等属性质力;压力、拉力、推力、阻力、向心力、等属效果力。摩擦力即是性质力也算作效果力。性质力是表示力的本质意义的一类力;效果力是表示力具体的作用方式和过程的一类力。不看力的作用效果仅从力的本质属性上命名的力属性质力,不看力的本质属性只看力的作用实效而命名的力属效果力。物体受力总要有效果,所以物体的具体作用都是效果力。力的效果一般总是联系作用的结果,而效果力并不代表力作用的最终结果。前面说桌面与石头互给接触面上的压力,属于效果力为什么不说是效果力,可能是人们没认识到或认识到了但怕与力的效果概念混淆。作用力和反作用力两物体的压力相等但不能说作用效果相同,因为两个相互作用的两物体材料和形状不相同,最终形变效果就不相同。

两物体作用分接触和非接触,对应的力也叫做接触力和非接触力。重力、弹力、摩擦力及所有效果力属于接触作用力;万有引力、静电力、磁力等基本力属于非接触作用力。一般接触作用物体上有主动作用的力只有一个(若有多个力可合成为一个合外力),对多物体连结成一线倒能同时作用,但每一物体都分掉一部分力。非接触作用两物体各自主动对对方发力,多物体时每个物体对自身外的所有物体都给予力,而且力不因分给多物体而减少。接触力的作用在物体的点或面上,非接触力物体上每个物质单元甚至每一粒子都有力且能集合成一个集中力。在接触作用中,施力物体方存在着对外施力和受反作用力的二力平衡,这不为非接触作用所具有。非接触作用一方发力,不能使另一方产生反作用力,另一方也是主动发出力。接触力遵循牛顿第三定律,接触力的性质和因果关系在非接触力上不复存在,所以非接触力不遵循牛顿第三定律。

我们在石头和桌面两物体作用与反作用的关系中,整体上看石头与桌面,石头对桌面有重力,桌面给石头以弹力;从石头和桌面的接触面上看,就不能说重力和弹力了,那里只有相互的压力。因此从力的名义上看,整体的石头和桌面的相互作用是不同性质的力;从局部的具体作用上看,却是一对同性质的力。在两物体的接触面或点上,有重力的石头给桌面施以压力,桌面同时给石头的接触面或点以压力,这才是力的性质相同的实质和真相。这种力的性质相同是说力的类型相同,不可与性质力概念的“性质”混同。在两物体的接触面上,存在着作用与反作用的性质相同,即或为相互挤压或为相互摩擦。所以说,不管施力与受力物体上的力用什么名称, 从两物体接触面上看相互作用力,是一对同名力。说力的性质相同就在于两物体接触面上力是同名力。

指认性质力或效果力,不是说了这一类力就不能再说另一类力。一般说物体上有什么力要说性质力,说力的具体作用要说效果力。作用力和反作用力要分整体的与接触面上的,才好认识两物体上力的性质。整体上两物体的力不一定是同性质力,大多是不同名义的力;接触面上两物体的力是同名义的效果力,但不一定使两物体有相同的作用效果。这样认识两物体作用力和反作用力,可化解作用力和反作用力同性质的疑问,对于正确认识和理解力的概念是有意义的。

三、圆周运动天体上万有引力和惯性离心力不属于作用力和反作用力  

物质的形状叫做物体,物质间存在着力也就是物体间存在着力。引力是物体上自然存在的,可算作物质的固有属性。一物体的引力不因另一物体的引力存在而存在,但要通过对另一物体的作用或受另一物体的作用而表现出来。物体上存在的引力与物体的质量有关,质量大的引力大,质量小的引力小。这是一个很简单的道理,但让人们理解却不容易。两物体相互间的引力是各自独立作用于对方,与对方作用自己没有因果关系。比如地球与月球的相互引力,就像一个壮汉和一个小孩腰上各栓一根绳子,绳端交给对方手中,两人各用力拉对方。两物体的作用与反作用的关系,就像一人用力拖一个无行动能力的人。因此,说物体间的万有引力是作用力和反作用力的关系是错误的。

两物体的万有引力是作用力和反作用力的说法是牛顿力学的主张,所以名正言顺地出现在大学中学的教辅材料中。这是错误认识的传承。行星绕恒星转动产生的惯性离心力与受恒星的引力基本平衡但不属于作用力和反作用力,因为惯性离心力只能作用在行星自身上不能反作用到发出引力恒星上;这种发生在作圆周运动的物体自身上的力,等效于力方向上遥远处有一物体发出不变的引力作用于此物体。在恒星行星系统中,两天体的引力大小不同,而运行系统还能长久稳定,是行星上除受引力外还有自身产生的惯性离心力,是引力与惯性离心力构成一对平衡力维持行星运转。许多学过物理的人,并不知道以质量乘向心加速度的是惯性离心力而不是向心力,天体圆周运动的向心力是万有引力。行星的运动不是向心力造成的,是行星物质从原始星云时就绕构成恒星系的星云核心转动的持续运动。

万有引力定律的表达式,只能用于计算大物体对小物体的引力或两物体质量相等时各自的引力,不可用于计算小物体对大物体的引力。例如,用万有引力公式计算地球与月球间的引力,计算所得是地球对月球的引力,不等于月球对地球的引力。若计算小天体对大天体的引力,可先计算大天体对小天体的引力,然后用大小天体的质量比换算。近来有人用万有引力定律计算太阳对月球的引力和地球对月球的引力,发现太阳对月球的引力比地球对月球的引力大二倍多,而月球不被太阳吸走,感到困惑和不解。这又是没有惯性力造成的不得其解的简单问题,你计算太阳对月球的引力时,再计算月球绕太阳运动的惯性离心力,同理计算地球对月球的引力也计算月球绕地球运动的惯性离心力,会发现两者均是平衡的,引力被惯性离心力抵消了,因而任太阳比地球大多少倍的引力都起不到比地球更能吸引月球的作用。  

自转天体物质上的惯性离心力能抵消一部分天体的引力。地球附近物体受的重力,是地球对物体的引力与地球自转产生的离心力的合力。地球上某纬度上一物体,物体上有指向地心的万有引力和垂直并背离地轴的惯性离心力,并没有指向地轴的向心力。引力与惯性离心力的夹角从极点到赤道的取值范围,两极处等于90度赤道等于180度,两极和赤道之间大于90度小于180度,所以作为合力的重力要小于等于引力,重力在赤道上最小,只有在极点处重力才等于引力。教科书上说重力是地球万有引力的分力,又是错误的。错误的原因是给地表面上物体加上一个指向地轴的向心力,这个向心力根本不存在,是教科书照葫芦画瓢模仿牛顿定律得出错误结论。地球的赤道直径大于极地直径,就是垂直地轴的惯性离心力的一个分力使地壳板块向赤道移动造成的。

惯性离心力是物体作圆周运动,自身产生的一种力。物体作匀速圆周运动,速度的大小不变,速度的方向在不断变化,速度方向变化也产生加速度;这个加速度是指向圆心的,即向心加速度。物体上有加速度就有惯性力,惯性力的方向与加速度的方向相反,大小为加速度乘以质量(实际的天体作椭圆轨迹运动,其上面的向心加速度和惯性离心力的大小都是有变化的)。正是有惯性离心力,才有恒星系,行星天体长久作圆周轨迹运行,不被恒星吸引过去合并到一起。

结束语

作用力和反作用力定律与万有引力定律的创立,使人们认识到物体间的作用是相互的,任何物体间都存在引力。但人们对这两个定律的认识和解释还有不适当之处。本文就是针对人们应用作用与反作用定律时产生的问题,对其作出新的解释。新解释对天体的作用力和反作用力的论断是:两天体间相互作用是二主动力关系,不存在作用力和反作用力的关系;天体上平衡的引力和惯性离心力属于二力平衡,也不是作用力和反作用力关系;作用力与反作用定律,不能统辖所有的力,仅适用于接触力,不适用于非接触力。

作者:郭连成
2014年8月21日 于吉林松原

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发表于 2014-8-27 16:01:01 | 显示全部楼层
本帖最后由 罩戨 于 2014-8-27 16:05 编辑

貌似物理学里没有叫做“离心力”的东西。
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 楼主| 发表于 2015-1-12 08:44:19 | 显示全部楼层
罩戨 发表于 2014-8-27 16:01
貌似物理学里没有叫做“离心力”的东西。

您说的是初中物理学吧。
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发表于 2015-6-5 09:15:35 | 显示全部楼层
自然界中共有四种基本相互作用力:万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。这四种作用力是统一的,它们都是由一种基本粒子的振动波来传递的,只是波的形式不同。任一质点(物质)都使与其碰撞的这种基本粒子径向振动的动量减少(波长拉长)并向外传递形成(万有)引力场。

慢慢的基础粒子的纠缠状态可以解释所有力,统一整个理论。
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发表于 2015-7-8 14:33:21 | 显示全部楼层
好很好,非常好,值得学习。
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