牛顿用定义和数学研究物理的一把钥匙,从他的书名就可以看出《自然哲学之数学原理》,他不但善于观察,还善于利用数学把他们描述,这就非常非常了不起了,一切科学都不是一个人完成的,牛顿的理论自然也不是他一个人完成的。
力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水器等器具,逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。古希腊的阿基米德初步奠定了静力学即平衡理论的基础。16世纪到17世纪间,力学开始发展为一门独立的、系统的学科。伽利略通过对抛体和落体的研究,在实验研究和理论分析的基础上,最早阐明自由落体运动的规律,提出加速度的概念,提出惯性定律并用以解释地面上的物体和天体的运动。17世纪末牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律),提出力学运动的三条基本定律,使经典力学形成系统的理论。根据牛顿三定律和万有引力定律成功地解释了地球上的落体运动规律和行星的运动轨道。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。此后两个世纪中在很多科学家的研究与推广下,终于成为一门具有完善理论的经典力学。
此后,力学的研究对象由单个的自由质点,转向受约束的质点和受约束的质点系。这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理,和拉格朗日建立的分析力学。其后,欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程,这被看作是连续介质力学的开端。
牛顿第一定律:任何物体都保持静止或匀速直线运动状态,直到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止。
牛顿第一定律也叫惯性定律,它告诉我们“运动并不需要力来维持”。如果物体受到的合外力为0,那它之前是什么速度,之后就依然是什么速度。
为什么它还有一个名字叫“惯性定律”呢?惯性在英文里跟惰性是同义词(Inertia),就是懒的意思。所以,惯性定律就是说所有的物体都很“懒”,像懒猪一样,都不愿意主动改变自己的运动状态。
如果我现在没动,那就一直不动,除非你用力推我;如果我现在有一个速度,那就一直以这个速度前进,除非有力拦着我。
喜欢科幻电影的朋友肯定对这个画面不陌生:一个宇航员在外太空不小心弄断了连接飞船的绳子,然后大家就只能眼睁睁地看着这个宇航员以一定速度飘向太空深处。因为太空中没有其他外力拦住他,所以他就只能遵守惯性定律“懒”下去,一直以同一速度飘走(虽然他是如此地不愿意)。
这也说明:没有力,宇航员照样可以运动,力的确不是维持物体运动的原因。那么,力的作用到底是什么呢?伽利略在后半句里说了:力是改变物体运动状态的原因。也就是说,虽然运动本身不需要力来维持,但是,如果想改变运动状态,比如宇航员不想飘向太空深处,想回到飞船,这就需要一个外力来拉一把。
好,知道力可以改变物体的运动状态之后,我给你一定的力,你的速度能改变多少呢?想要把这个账定量地算清楚,我们就需要牛顿第二定律。
牛顿第二定律也让我们有了一个全新的视角来审视“质量”这个概念。惯性定律不是说“万物都很懒”吗?没有外力推动,一个个都不愿改变自己的运动状态。但是,虽然大家都很“懒”,可“懒”也分三六九等。有的物体是轻微的懒,轻轻一推就改变了运动状态;有的是极度的懒,用八抬大轿都抬不动。
牛顿第三运动定律(Newton’s Third Law of Motion-Force and Acceleration)的常见表述是:相互作用的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,作用在同一条直线上。该定律是由艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》一书中提出的。
牛顿第三运动定律只适用于惯性系中实物物体之间的相互作用,如在电磁场中运动的电子,将受到电磁场力作用,但无从谈论电子对电磁场的反作用力。非惯性系中的惯性力无反作用力,由场参与的相互作用,其作用传递是需要时间,作用与反作用的同时性不成立。
第三定律是独立的,但也存在适用范围。第三定律成立的条件是宏观物体作低速运动。当物体的运动速度接近光速时,作用力和反作用的大小一般不再相等。