力学这玩意儿,真不好懂。别整那些虚头巴脑的“起初、然后”,咱们就按天体在天上转,要么人脚踩在地上一脚蹬。 扔一个球,要么推一辆车,乍一看就是好办的力。但在脑子里得先有个概念:力实际上是两个东西打架的结局。一个是想让你动的那个力,比如你推购物车;另一个是想让你静止的那个力,比如地面向下推你的脚,要么绳子拼命想拉住你。
要是后者的力量大于前者,你就站不住;要是前者大,你就像被橡皮筋拉着加速向前冲。
这个“被拉”要么“被推”的过程,就是加速度。 牛顿第二定律就是描述这个过程的数学公式,$F=ma$。
这公式最狠的地方在于,它把力、质量和加速度直接挂钩,并且单位制务必统一,否则算出来的结局就“天书”一样。
比如你推一辆车,要是质量单位是千克,力用牛顿,加速度就是米每二次方秒。
要是质量单位换成克,力也得换算成毫牛,否则算出来的速度单位就全是"g"要么"k",彻底没法用。 说到质量,那个词听起来就挺抽象。它是物体“抵抗变化”的本事。
牛顿把他定义为惯性质量,就是当你对一个静止的物体形成功本事时,它不反抗地停留在原地,要么在力的功能下运动得越慢,表示它的质量越大。质量越大,同样的力推不动它,要么说推不动它形成同样的加速度。 加速度这个词,听起来像是在加速,但实际上它是个矢量。它既有大小也有方向。
要是你看一个物体从静止启动加速,速度越来越大;要是你看一个物体从静止启动减速,速度越来越小。加速度的大小实际上就是速度变化率,也就是 $Delta v / Delta t$。
要是你想知道一个车在 3 秒内从 0 加速到 100 米每秒,它的加速度就是 $100/3 approx 33.3$ 米每二次方秒。
要是一个车在 5 秒内从 0 减速到 0,它的加速度就是 $0/5 = 0$,但这不对,出于速度在变,故此它的加速度不为零,是匀减速。加速度实际上就是描述物体“状态转变快慢”的参数。 说到运动学,那是研究如何从已知条件推导出位置、速度这些参数的学问。
一般人只看 $s=vt$ 要么 $v^2 - u^2 = 2as$ 这些公式,认定死记硬背就行。
实际上这些公式只是把工夫的概念转换成了位移的概念。
比如 $s=vt$ 实际上是说,要是加速度为 0,位移就是速度乘以工夫。但更复杂的运动,比如匀加速运动,位移公式 $s = frac{1}{2}(u+a)t^2$ 就更实用。
这时候 $s$ 就是位置坐标的变化,$(u+a)t$ 就是速度变化量。
要是 $a=0$,速度不变,位移就是速度乘工夫。
要是把工夫换成位移,公式变成 $s = ut + frac{1}{2}at^2$,这实际上是描述物体匀加速运动的位移公式。 再看圆周运动,那玩意儿往往让人想不通。一个物体在圆周上转,比如地球绕忒阳转,要么地球绕忒阳公转的轨道,实际上是个平面曲线运动。在极坐标里,位置能够用半径 $r$ 和角度 $theta$ 来表示。速度 $v$ 实际上就是线速度的大小,$sqrt{v_r^2 + v_theta^2}$。
要是是匀速圆周运动,线速度就恒定,但方向时刻在变。速度变化量就是 $Delta vec{v}$,它的大小一直等于线速度乘以角速度的绝对值,也就是 $sqrt{a^2 + b^2}$。出于速度方向一直在变,故此切向加速度和法向加速度都有。法向加速度就是 $frac{v^2}{r}$,它只跟速度大小和半径相关,跟工夫没关系。切向加速度跟速度大小变化相关。 这种向心力是如何来的?力并不一定是指引圆心的力。向心力实际上就是任何指向圆心的力,它不一定来自地球引力,也能来自绳子拉力,就连摩擦力。 说到摩擦力,那是力学里最好办绕晕的地方。静摩擦力是物体没动的时候,东西给你一推,你对象一推,它们之间就互相“粘”住了。滑动摩擦力则是两个物体表面滑过的时候形成的阻力。滑动摩擦力的大小跟正压力和接触面的粗糙程度相关,跟速度大小无涉。
要是两个物体确实在滑动,接触面宏观上确实是个相对滑动的平面,但微观上全是凹凸不平的分子在互相碰撞。 牛顿第三定律说的一对力,往往跟摩擦力扯上关系。
比如你踩刹车,车轮和地面之间就有静摩擦力,你把车往后拉,地面就给你向前的摩擦力。 动能和势能,这是能量守恒的载体。动能是运动能量,$E_k = frac{1}{2}mv^2$。势能是位置能量,重力势能 $E_p = mgh$。你拿着个球爬山,球没动,动能是 0,但它的重力势能增添了。 热力学第一定律就是能量守恒定律在热力学里的表述。
要是你给一个系统做功,要么让它形成热换,系统的内能变化就取决于这两个因素。 压强就是压力除以受力面积。压强是标量,没有方向,但它是矢量的一局部,出于它有方向。
比如液压千斤顶,利用帕斯卡定律,通过管道里的压强传递,让一端的力放大好几倍。 弹性形变,比如拉一根弹簧,它要伸长,说明有力在拉伸它。胡克定律说,弹簧形成的弹力跟形变量成正比。 能量转化,实际上就是能量守恒。物体下落时,重力势能变动能;摩擦生热时,机械能变内能。 动量守恒,实际上是个挺关键的守恒量,特别是在碰撞难题里。
比如两车相撞,要是不受外力,总动量不会变。 最终说一点,力学里还有大量“力”的名字,比如万有引力、电磁力。
这些力实际上归于“根本相互功能”的范畴。万有引力就是连接天体的力;电磁力是原子内部电子和原子核之间的力;强相互功能是夸克之间的力;弱相互功能是放射性衰变里的力。 力学,这门大学问,实际上没那么多高深的公式。它讲的是如何描述物体如何动,如何受力,如何能量转化。人只要理解了每一句物理意义,公式就只是数字的排列组合。别被那些 $F=ma$ 卡住了,想想自己推个箱子,要么扔个石子,那都是力学。