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經典力學中力的定義相當簡單明了——力是物體對物體的作用,沒錯,相當簡單明了!因此,人們認為只有兩個或兩個以上的物體才有資格談力,而說到力,就必須有施力的物體和受力的物體,這似乎與人們的生活實踐是壹致的。
但是,當人坐在車裏,以車為參照系的時候,我們發現車上的物體其實是可以無緣無故加速的。似乎有壹種力作用在這些物體上。這是什麽力量?它的屬性是什麽?施力對象是什麽?無論我們怎麽努力尋找,都找不出這個力的對象。為了找出原因,我們下了車,以地面為參照系,在地上又看了壹遍。這時我們突然意識到,汽車壹旦加速,車上的物體就會相對於汽車加速,物體根本不動,而是保持靜止狀態,物體不受力。當然,我們找不到施力的物體。可見,在不同的參考系中觀察物體的運動,會得到完全不同的結果!
因此,人們對參考系進行分類。任何可以應用牛頓第二定律的參考系稱為慣性參考系,反之,牛頓第二定律不能應用的參考系稱為非慣性參考系。牛頓第二定律是否適用,我們考慮的因素其實是力產生的條件。如果力的產生是有條件的,那就必須符合牛頓第二定律。通過總結發現,所有相對於地面靜止或勻速直線運動的參照系都是慣性參照系,而相對於地面變速運動的參照系都是非慣性參照系。在眾多慣性參考系中,相對於地面靜止的慣性參考系具有特殊的優勢,被稱為絕對慣性參考系。
人們對慣性參照系進行了大量的討論,同時也對非慣性參照系進行了討論。壹個物體在非慣性系的力的作用下好像在加速,但是找不到施加力的物體。為了滿足牛頓第二定律,人們假設物體受到壹個力的作用,這個力由物體的質量和加速度的乘積決定。但由於找不到施加該力的物體,人們認為這個力不是真正的力,而是壹個虛構的力,並將這個力稱為“慣性力”。
顯然,“慣性力”的大小取決於物體的加速度,而物體的加速度實際上取決於非慣性參照系相對於慣性參照系的加速度。可見,經典力學討論非慣性系時,壹刻也離不開慣性系,離開它就寸步難行。於是,經典力學終於落入了參照系循環的陷阱!
旋轉非慣性參考系和科裏奧利慣性力
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相對於慣性參照系變速運動的參照系是非慣性參照系,非慣性參照系中的物體會受到慣性力。旋轉也是變速運動的壹種,也是經常見到的變速運動的壹種。如果把壹個相對於地面旋轉的物體作為參照系,那麽這個物體在這個參照系中會受到兩種慣性力——離心慣性力和科裏奧利慣性力。本文只對科裏奧利慣性力作了相應的討論,離心慣性力在參考系上的文章中再次討論。
對於科裏奧利力,由於種種原因,筆者無法查閱和摘抄最原始的關於科裏奧利力的文獻。本文摘錄《力學基礎》第65438版(祁安申、杜禪英主編,高等教育出版社2月出版,高等學校試用教材,1982+1)。
如上所述,當質點在勻速轉動的參考系中靜止時,將觀察到質點受到離心慣性力。如果壹個質點相對於勻速轉動的參考系運動,它可能受到另壹個慣性力,即科裏奧利力。
參見圖2.35。水平平滑度可以圍繞垂直軸O旋轉..假設圓盤靜止不動,合力為零,球從圓盤A以勻速運動到承載B的半徑。無論從圓盤的角度看,球的運動狀態都是壹樣的。如果圓盤以恒定的角速度旋轉,圓盤上A點的球只有與A點相同的線速度,經過壹小段時間,可以近似認為球從原圓盤上的A點勻速運動到了A所在的C點。如圖2.35(b)所示(註意為了清楚起見,角度被誇大了)。現在圓盤轉動時,球將參與上述兩種相對於慣性系的從A到B和從A到C的勻速直線運動,球應到達圖2.35(c)中的D點。同時,球的原始半徑已經轉過了壹定的角度,從AB轉到CD’。從圓盤上看,球不能保持在原來的位置。
如果圓盤上有沿半徑方向內壁光滑的槽,情況就不壹樣了。位於凹槽內、A點的球相對於慣性系仍具有上述沿AB和AC的速度,但此時由於凹槽的約束,經過壹小段時間後,球將到達D’點,從而彌補了從D到D’點的位移,如圖2.36(a)所示。可以看出,在這種運動中,球將不可避免地在垂直於慣性的半徑附近獲得壹些急動,以彌補位移DD’。
如果球沿半徑垂直方向勻速運動,用附加加速度的大小表示球從A運動到D '的時間,那麽圓盤的角位移在時間上為0,考慮到球沿槽勻速運動,表示其相對於圓盤的切槽速度,所以與上式比較。
這種附加加速度在慣性系中被觀測到,它叫做科裏奧利加速度,是由某種相對相互作用力產生的。質量為m的球在槽內,這個力只能是槽邊施加的擠壓彈性力,應該與槽垂直,大小相等,如圖2.36(a)所示。
從圓盤的非慣性系來看,球只是沿著凹槽做勻速直線運動。根據牛頓第二定律,球受到的合力應該為零。但是球已經受到了剛才說的力,所以必然存在壹個慣性力和力的平衡,只是方向相反。
非慣性系中的物理性質七定律和林三定律
作者在多篇文章中論述了在場環境中物體的運動特性,並在此基礎上總結出物理特性七定律和林三定律;
在自由粒子的密度梯度場中,壹個自由物體會做壹個由密度梯度決定的屬性運動,屬性加速度與密度梯度成正比,等於剪切波在這個粒子中傳播速度的平方,就是自由粒子的密度和物體內部同類自由粒子的密度。這是物理性質的第零定律。
自由質點在空間某壹固定點的速度變化產生了某壹點的速度變化率場,自由質點在該場中能自由穿透的自由物體的運動加速度取決於自由質點在物體所在位置的速度變化。這是物理性質第壹定律。
空間中存在自由粒子的速度旋度場,自由運動的物體會做出由空間粒子的速度旋度和其物體的速度決定的屬性運動。屬性加速度分別與空間粒子的速度旋度和物體的速度成正比。這是物理性質第二定律。
在自由原子分子溫度梯度場中,自由物體會做壹個由溫度梯度決定的屬性運動,屬性加速度與溫度梯度成正比。這是物理性質第三定律。
在電子密度梯度場中,自由電荷會做出由密度梯度決定的屬性運動,屬性加速度與密度梯度成正比。對於電荷來說,這個場是庫侖電場或電壓分布電場,電場強度為。這是物理性質第四定律。
子空間中自由電荷的加速勢取決於電荷速度的時間變化率。這是林氏靜電電場,場強為。這是物理性質第五定律。
自由運動電荷的屬性加速勢將由電子的速度旋度和電荷的運動速度決定。這是壹個動態林氏電場,場強為。這是物理性質第六定律。
“力”是環境不平衡程度的反映,壹個物體在不平衡的環境中必然會加速。“力”等於物體的質量與其屬性加速度的乘積,是研究環境不平衡程度與物體在相應環境中的屬性加速度之間關系的中間物理量。作者稱這個定義為林海兵第零定律。
所有物體在平衡的環境中總是處於平衡狀態,直到環境從平衡變為不平衡,迫使物體改變原來的平衡狀態。這是林海兵的第壹定律。
所有物體總是在不平衡的環境中加速,其加速度取決於各種環境的不平衡程度。這是林海兵第二定律。
在上述定律中,作者用阻力速度矢量來表示環境質點的運動速度。
4科裏奧利加速度的本質
人們以為科裏奧利加速度是非慣性力的結果,其實不然。其實這只是物質在中速旋度中的運動性質,是物理性質第二定律所描述的情況。
其形成的原因很簡單——如果圓盤相對於地面逆時針旋轉,那麽當以圓盤為參照系時,暗物質中子以相同的角速度順時針旋轉,在參照系內部形成壹定的速度旋度。我們可以通過旋度計算得到,旋度是中子在圓盤參考系中旋轉的角速度矢量。根據物理性質第二定律,物體在這樣的參照系中的加速度為,即物體在圓盤參照系中的速度。這是科裏奧利加速度。
所以在這樣的慣性系中,壹個物體可能受到兩個環境屬性力——科裏奧利力和離心力,合力為。
非慣性參考系中的附加引力場
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考慮高空墜向地球的小天體,簡化為不考慮空氣和地球自轉的影響,那麽分別選擇地球和小天體作為參照系有:
以地球為參照系:由於地球近似為慣性系,小物體做自由落體,到達地面時動能不斷增加。它的動能由勢能轉化而來,能量守恒成立。
以壹個小物體為參考系:小物體是非慣性系。根據廣義相對論,存在壹個附加引力場,引力場指向上方。在附加引力場的作用下,地球沿著附加引力場的方向加速,附加引力場確實對地球做功,地球的動能不斷增加,直到落在壹個小物體上作為參考系。作用在地球上的附加引力場增加了地球的動能。附加引力場的能量從何而來,如何用能量守恒解釋?
對於作為參考系垂直向上發射的火箭,也存在同樣的問題。
如果自由落體是特例,就沒有附加場。
那麽,如果以水平加速的汽車為參照系,就應該有壹個附加場。那麽可以觀察到地球在向後加速。在這個參照系中,地球的增量動能是由什麽能量轉化而來的?
當然,當以地球為參照系時,汽車的動能增量是由發動機供給的。