牛顿第一定律再解释
引文
牛顿第一定律:一切不受力的物体总保持静止状态或匀速直线运动状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。
牛顿第一定律,又称惯性定律。它阐明了力和惯性这两个物理概念,正确地解释了力和运动状态的关系,并提出了一切物体都具有保持其运动状态不变的属性——惯性。它是物理学中一条基本定律。
惯性:任何物体都具有的保持原来静止状态或匀速直线运动状态的性质,这种性质叫做惯性。
惯性是物体的固有属性。它不能被克服和避免。
惯性不是力。物质运动不须要力来维持,因而惯性不是维持物体运动状态的力。
惯性的大小表示物体运动状态改变的难易程度,它是由质量决定的。
惯性只与物体本身有关而与物体是否运动、是否受力无关。对任何物体,无论它是运动还是静止,无论是运动状态改变还是不变,物体都有惯性。
当物体受到外力改变其运动状态时,惯性表现为物体的速度要在原来的基础上发生变化以及变化的难易程度,因此物体的速度不能突变。
一、惯性有两种表现
牛顿第一定律中描述的物体总保持的静止或匀速直线运动状态,只能在物体不受力的情况下发生;当有外力迫使它改变这种状态时,那种静止或匀速直线运动状态就不存在了。显然当外力使物体的运动状态改变时,不能不说受力物体上有了加速度,而这正是牛顿第二定律描述的情况。从惯性存在的意义上说,第一与第二定律在分别描述无缝连接的物体运动的两种状态,分别代表物体的惯性保持和惯性反抗两种表现。
“惯性只与物体本身有关而与物体是否运动、是否受力无关。对任何物体,无论它是运动还是静止,无论是运动状态改变还是不变,物体都有惯性。”这种说法只适用于惯性存在的性质描述,因为物体的惯性表现跟受力与否泾渭分明。一个物体的惯性,在匀速运动和变速运动的两种情况中有不同的表现。第一种情况,物体在静止或匀速直线运动状态时,惯性的“任务”是保持这种状态不变,是一种纯粹的性质使然,不需要用力来维持。此时的惯性表现就是一种基本状态,谈不到它的大小,也说不出它是用什么方法和手段来保持运动状态不变的。第二种情况,物体在外力改变物体运动状态时,惯性的“任务”是有作用的反抗。同一个物体,物体运动状态改变小就容易,需用的外力就小;物体运动状态改变大就难,需用的外力就大。物体在任何情况下都有惯性,可以理解为惯性不会消失,不能说任何情况惯性的表现都相同。
“当物体受到外力改变其运动状态时,惯性表现为物体的速度要在原来的基础上发生变化以及变化的难易程度,因此物体的速度不能突变。”这种说法很委婉。为什么不简捷地说“惯性表现为速度变化的难易程度”呢?好似有不便直说之隐但难能否认,物体速度的变化就是运动状态改变,改变的难易程度就是改变时是费力还是省力,也就是需用外力的大小。物体上有外力与运动状态改变,正是合外力与物体的加速度成正比的力与运动的关系;由此触发了惯性的反抗作用,也正是惯性反抗提供了速度要在原来基础上发生变化的难易程度。“因此物体的速度不能突变”,这句话的意思似乎说惯性使物体的速度变化不能过大。毫无疑问,速度的变化就是有加速度,因此无论速度突变还是缓变只是加速度大小的问题。不能突变的说法可以使此话解释为惯性使加速度不能过大,显然这样说不合适。
惯性表现为物体保持运动状态不变容易理解,表现为对外力改变物体运动状态的反抗一直是被忽略或敷衍的问题。牛顿第一定律表达得很明确,说“直到外力改变这种状态为止”,就是说没有外力时物体作匀速直线运动,在有外力后惯性保持的运动状态结束了,也就意味着物体受外力后的惯性表现发生了变化。由此体现物体运动状态被迫改变时惯性的反作用:不使外力的侵犯行为不付出代价――它要受到惯性反抗对等的力。