合力产生加速度,ΣF = ma
推一推光滑地面上的箱子。把推力 F 调大,箱子加速得更快。不管它就原地不动;轻轻推就慢慢加速,用力推就迅速加速。力产生加速度。更准确地说,作用在物体上所有力之和,也就是合力,决定了加速度。即便不是单向地推,而是多个力同时作用,你也只需看把它们当矢量全部相加得到的那一个合力。这个合力与加速度的关系,正是牛顿第二定律 ΣF = ma。这里的质量 m,是物体对同样的力有多不愿被加速,也就是惯性的大小。这一行,就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一个力 F。F 越大,加速度 a 越大;力与加速度成正比。F 翻倍,a 也翻倍。写成公式 a = Fm,反过来 F = ma。这里要紧的是:力不直接决定速度,而是决定加速度。施力它就加速;撤力它就以那个速度继续走,不快也不慢。力为 0 则加速度为 0,静止或匀速的状态都保持不变。这就是惯性定律,也是第二定律的起点。
实际上,多个力会同时作用在一个物体上。设想箱子受到一个向右推的力和一个向左推的力。用滑块调节向右的力。决定加速度的不是单个的力,而是两者相加的合力。右边更强,就剩下一个向右的合力,于是向右加速;左边更强,就向反方向加速。两者相等时合力为 0,加速度也为 0,即便又推又拉,物体仍保持匀速或静止。所以第二定律里的 F 永远指合力,也就是所有力的矢量和 ΣF。不是一个个的力,而是它们的总和,才改变运动。
要正确求出合力,就把那一个物体单独抠出来,把作用在它身上的力一个不漏地画出来。这叫自由体图(FBD)。用按钮切换情形。放在地面的箱子,受到向下的重力 mg 和向上的支持力 N,上下平衡。吊在天花板上的重物,重力 mg 与绳的张力 T 相抗。被推的箱子在此之上再加推力和摩擦。规则很简单:只画直接接触物体的力(接触力)或从远处拉它的力(如重力),绝不画物体施加给别人的力。把这些箭头都收齐、按方向相加,就得到合力,它等于 ma。
这次固定力、改变质量。用同样的力推,轻的物体容易加速,重的物体则迟钝。拖动 m 滑块,按照 a = Fm,质量越大加速度越小,成反比。质量翻倍,同样的力下加速度就减半。所以质量不只是重,而是物体抗拒运动状态改变的程度,也就是惯性的大小。这就像空购物车轻轻一推就窜出去,而满载的车你使出浑身力气才勉强推动。同样的合力,质量不同,得到的加速度就不同。
最后是斜面上的箱子。设没有摩擦,作用的力只有向下的重力 mg 和面顶回来的支持力。可加速只沿斜面发生。于是把重力分成两个方向:沿斜面的分量 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,只是压着面,并不产生运动;只有平行分量留下来,让箱子下滑。拖动角度 θ。坡越陡 sinθ 越大,加速度 a = g sinθ 就越大;θ 接近 90 度时趋近自由落体 g。θ 为 0 时 sinθ 也为 0,在平地上不会下滑。关键就是把合力沿运动发生的方向分解来看。