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动力学

牛顿第二定律

合力 ΣF=ma,自由体图,质量=惯性 a=F/m,斜面 a=g sinθ

设想在光滑地面上推一个箱子。推力 F 越大,箱子的速度增加得越快:不推它就静止不动,轻轻推它就慢慢加速,用力推它就急剧加速。力产生的不是速度,而是加速度。更确切地说,决定加速度的是合力,也就是作用在物体上的所有力的矢量和;所以无论同时有多少个力,只要看它们的总和就行。合力与加速度之间的关系就是牛顿第二定律(ΣF = ma),而质量 m 表示物体在同样的力作用下有多难被加速,也就是惯性的大小。这一行式子,是经典力学中连接力与运动的桥梁。

用滑块给光滑地面上的箱子施加力 F,也就是金色箭头的大小。F 越大,箱子上方橙色箭头所表示的加速度 a 也越大;二者成正比,F 加倍,a 也加倍。写成公式是 a = Fm,反过来写就是熟悉的 F = ma。这里的关键在于,力决定的是加速度,而不是速度。施加力,箱子就加速;撤去力,箱子既不加速也不减速,而是保持当时的速度一直运动下去。力为 0 时加速度也为 0,静止或匀速的状态就保持不变;这就是惯性定律,也是第二定律的出发点。

实际上,一个物体往往同时受到几个力。图中的箱子受到一个固定的、向左推的蓝色力;用滑块调节向右推的金色力,就会看清决定加速度的不是单个的力,而是两者之和,即合力。向右的力更大时,合力向右,绿色加速度箭头指向右方;向左的力更大时,箭头变成红色,指向左方。两个力相等时合力为 0,加速度也为 0,即使两边都在推,物体也保持匀速运动或静止。所以第二定律中的 F,即 ΣF,始终指所有力的矢量和;改变运动的不是某一个力,而只是它们的总和。

要正确求出合力,必须把一个物体单独隔离出来,把作用在它上面的力一个不漏地画出来,这叫受力分析图(FBD)。用按钮切换情境,每种情况下的箭头都不一样。放在地面上的箱子受到向下的重力 mg 和向上的支持力 N,上下平衡。挂在天花板上的重物,重力 mg 与绳子的拉力 T 相互对抗;被推的箱子还要再加上推力和摩擦力。规则很简单:只画直接接触该物体施加的力(接触力)和隔空作用的力(如重力),不画该物体施加给别的物体的力。把收集到的箭头按方向相加就得到合力,令它等于质量与加速度的乘积 ma,就列出了运动方程。

这次固定力,改变质量。用同样的力推,轻的物体很容易加速,重的物体却很迟钝。拖动质量 m 的滑块,箱子变大,橙色加速度箭头按 a = Fm 成反比地缩短。质量加倍,同样的力产生的加速度减半。所以质量不只是“重”,而是抗拒运动状态改变的程度,也就是惯性的大小。空的购物车轻轻一推就跑出去,装满的购物车却要使劲推才勉强动起来,说的是同一回事:合力相同,质量不同,产生的加速度就不同。

最后是光滑斜面上的箱子。作用在箱子上的力只有向下的重力 mg 和斜面的支持力,但加速只沿斜面发生。所以把重力分解为平行于斜面的分量 mg sinθ 和垂直于斜面的分量 mg cosθ。垂直分量与支持力恰好抵消,只是压在斜面上,不产生运动;只剩下平行分量让箱子滑下。拖动倾角 θ 让斜面变陡,sinθ 增大,橙色加速度箭头 a = g sinθ 变长;θ 接近 90 度时,加速度趋近于自由落体的 g。θ 为 0 时 sinθ 也为 0,所以在平地上不会滑动。关键在于把合力沿运动发生的方向分解来看。

实际应用总结一下,牛顿第二定律(ΣF = ma)的意思是:作用在物体上的所有力的矢量和,即合力,等于质量与加速度的乘积。力产生的是加速度而不是速度,质量则是抗拒加速的惯性。解题有固定的步骤:先把研究对象隔离出来,在受力分析图上画出所有的力;再选取方便的坐标轴(斜面问题取平行于斜面和垂直于斜面的轴);最后对每个轴列出 ΣF = ma。没有运动的轴上 a = 0,各力平衡(例如:支持力 = mg cosθ);有运动的轴上合力等于 ma,即质量与加速度的乘积(例如:mg sinθ = ma)。取加速方向为正,正负号就会很清楚。下一讲把力乘以距离,进入功和能量,换一个角度:把力在空间上而不是在时间上累积起来。
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