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惯性不是力,为何还有惯性力?

来源:本站原创 发布时间:2020-09-28 点击数:

把石头扔出去,石头脱离手后还会继续向前运动。在亚里士多德那个时代里,人们认为石头向前运动是因为受到向前的力的原因。也就是说必须有力作用在物体上,物体才能运动。尽管那个时候人们对力还没有清晰的概念。

中世纪末期的意大利科学家伽利略通过分析自己的设计的思想实验,认为一个运动的物体如果不受到力的作用将会一直做匀速直线运动。之后牛顿在伽利略等人成就的基础上总结出牛顿第一定律:一切物体总有保持静止或匀速直线运动状态的性质,只有作用在物体上面的力才能改变物体的运动状态。

物体保持原来运动状态的性质就是惯性。抛出去的石头已经脱离了手,手不会再给石头施加力,石头能够向前运动是因为石头要保持原来的运动状态。运动的车急刹车时,车里的乘客会向前倾也是因为惯性的原因。从亚里士多德到牛顿,经历了将近两千年的时间,人类终于能够对这种简单的运动有了深刻的认识。牛顿建立起完整的力学体系后,大到天体的运动,小到苹果的落地,都要遵从牛顿的指挥。

可是牛顿运动定律也有不成立的时候,哪怕是在低速宏观世界里。举一个例子,静止的火车里有一张光滑的桌子,桌子上静止放置一物体。此时坐在火车车厢里的人会观察到桌子上的物体处在静止状态。在这个人看起来桌子上的物体会受到重力和支持力,两个力的合力为0,物体恰好处在静止状态。某一时刻火车突然加速,车厢里的人就会观察到物体在加速运动。而这个物体仍然只受到重力和支持力,两个力的合力仍然为0。合力为0的物体却在加速运动,这与牛顿运动定律相矛盾。

物体是静止还是运动与选择的参考系有关,在刚才的例子中涉及到两种参考系??惯性系和非惯性系。车厢静止时,合力为0的物体处在静止状态,此时符合牛顿运动定律,这时车厢就是一个惯性参考系。车厢加速运动时,合力为0的物体在乘客看起来是加速运动的,因为这时的车厢已不再是惯性参考系,而是非惯性参考系。牛顿运动定律只在惯性系中成立,在非惯性系中不成立。

牛顿建立起来的经典力学体系是非常好用的,人们也希望将牛顿运动定律拓展到非惯性系中,于是有了惯性力这个概念。物体在非惯性系中可以假想它受到一个惯性力,有了惯性力牛顿运动定律在非惯性系中就可以继续成立了。在刚才的例子中可以假设桌子上的物体受到一个水平方向的惯性力,有了这个惯性力物体受到的合力便不再是0,这样非惯性系中的观察者就不会对物体的运动感到困惑了。

汽车拐弯速度过大时容易发生侧滑,汽车就会从公路上甩出去。汽车甩出去了,有人说这是因为离心力过大。离心力就是转动参考系中的一种惯性力,这种力本身是不存在的,也是为了让牛顿运动定律成立假想出来的力。在转动参考系中运动还会涉及到科里奥利力这种惯性力。地球是在转动的,在地面附近高速或长距离运动时就要考虑科里奥利力的影响了。北半球右侧的河岸被冲刷得比较严重就是科里奥利力的缘故。