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灵遁者重新审视力与能量的联系和区别找回你

2019-05-16 18:49:11 作者: 0人读过 | 我要投稿

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重新审视力与能量的联系和区分

——灵遁者

人总是在否定自己,最近我就总是这样。看自己曾经写下的很多东西,都觉得不行。让专业的人,去干专业的事情。关于物理的科普也好,关于物理的创新也吧,我早该停下来了。但就像我说的,我们的问题不会有最后一个。当你执着于一个事情的时候,你以为你终究停下来了,但大脑中总会突然冒出一些想法,让你不能不去思考。思考了又忍不住写下来。

关于力和能量,我们很熟习了。从牛顿开始至今300多年了,我们学习了这些知识,我们以为自己很了解这些知识了。但其实我们应该多回头去审视这些定义和概念的精确性,毕竟物理学是在发展中完善和递进的。审视过去的学术,对于我们而言,百利无一害。

重新审视力与能量的联系和区别,找回你初中没学到的认识!

那么先来说说力。在介绍力和能量的定义和概念之前,我问你,力与能量有什么联系?有什么区别?( 文章阅读: )

力和能量都是抽象的概念,抽象能力是帮助我们去繁就简,看清事物本质的能力。力的定义是这样:力是物体对物体的作用,力不能脱离物体而单独存在。两个不直接接触的物体之间也可能产生力的作用。力的单位是牛【N】,力的三要素是大小,方向,作用点。

能量的定义是这样的:能量是物资运动转换的量度,简称“能”。世界万物是不断运动的,在物资的一切属性中,运动是最基本的属性,其他属性都是运动的具体表现。也可以表述为能量(energy)是质量的时空分布变化程度的度量,用来表征物理系统做功的本领。现代物理学已明确了质量与能量之间的数量关系,即爱因斯坦的质能关系式:E=MC²。能量的单位与功一样是焦耳【J】。

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OK,上面的内容是力和能量的定义,这都是初中的内容。现在我们来分析一下,看似很简单的内容,其实分析起来很复杂。力和能量都不是可以一句话说清楚的概念。在长达2个世纪之内,力和能量都是混淆的,法国学者科里奥利(Gustave Gaspard Coriolis,1792-1843)引进了功的概念后,力和能量的概念才被明朗的分开来。

首先我们这样来抽丝剥茧,才能从本质上认识力和能量。教科书不会这样教你,但你要学会这样去思考。力和能量是怎么产生的?如何判断有力或有能量存在?那么要谈论这个问题,先得聊聊惯性。惯性也本书中最重要的一个点。我反复强调过,这个点是经典力学和相对论都绕不开的困难。理解了惯性,很多问题都好理解了。

看了前面的章节,你肯定清楚了,对惯性理论贡献最大的一个人是伽利略。他是第一个对此问题有深入理解的人。但为什么他没有提出力和能量的概念呢?主要是他关于质量的定义是模糊的,所以他不能给出清晰的既适用于静力学,又适用于动力学的力的定义。但他的惯性原理指出,物体在不受外力作用的条件下,能连续作匀速运动。他把力和速度的变化联系在一起。破除了亚里士多德把力和速度联系在一起的长期的思想束缚,为牛顿把力和加速度联系在一起开辟了道路。

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牛顿首先引入了质量的概念,而把它和物体的重力辨别开来,说明物体的重力只是地球对物体的引力。这里说的就是牛顿的第二定律。现在的动力学就是以牛顿第二定律为核心,这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。所以说牛顿是力学体系的奠基人!

但牛顿也没有提出能量理论,最早提出能量理论的是莱布尼兹,那个时候能量这个词叫“活力”。能量(Energy)这个词是托马斯·杨于1807年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的,针对当时的“活力”或“上升力”的观点,提出用“能量”这个词表述,并和物体所作的功相联系,但未引起重视,人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。读到这里大家应该知道了,这个时候,人们对于力和能量的概念,还是不清晰的。

我们现在的学生,包括我上学的时候,初中就开始接触力和能量了。但其实也就是能简单认识这两个概念,很少有学生能融汇贯通的理解,这并不简单。由于初中我们并没有学到微积分理论。

牛顿的理论基本还是静力学,后来的达朗贝尔和拉格朗日分别又拓展了牛顿的力学理论,使得动力学理论得到飞速发展。而他们所用的工具,自然就是微积分了。再往后,就是我们说到的托马斯杨了。托马斯杨其实最有名气的实验是衍射实验。这个我在《见微知著》中有详细介绍。但他在当时还不太受欢迎,为何这么说呢?他把他的理论印刷成书籍,据说只卖了一本,还是朋友买了。

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再往后,就是上面提到了科里奥利。他提出功的概念,并且科里奥利开始将动能和功的概念应用到旋转的系统中,然后就有了现在著名的科里奥利力。广泛用于研究气象,洋流等现象。

所以大致的研究力和能量的历史,是这样的。最早其实属于哲学方面的认识。然后是亚里士多德的理论,不过亚里士多德的认识是经验性的。再后来就是伽利略【出身1564.02.15-去世1642.01.08】。

伽利略去世不到半年,牛顿出生了【1643年1月4日—1727年3月31日】。牛顿在伽利略的基础上,建立了力学体系。

和牛顿同时代的人物,布莱尼茨【1646年7月1日-1716年11月14日】在牛顿出身三年后,也降生了。他开始研究“活力”了。

还有一位叫惠更斯【1629年04月14日—1695年07月08日】,他是介于伽利略与牛顿之间一名重要的物理学先驱,他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献,在数学和天文学方面也有卓着的成就,是近代自然科学的一位重要开拓者。他建立向心力定律,提出动量守恒原理。

莱布尼茨往后,分别是达朗贝尔,拉格朗日,托马斯杨,科里奥利。这四个人都是出生于18世纪。如果是从伽利略开始算起的话,力和能量的认识,最少走了200年时间。200年的研究历史还不够,后来麦克斯韦,爱因斯坦等又闪亮登场,再次刷新了人们关于能量的认识——质能关系。所以这不简单。

上面算是简单回顾了力和能量的研究史。接下来该回答上面的提问了。

牛顿的惯性定义:惯性,是物质固有的属性,是一种抵抗的现象,它存在于每物体当中,大小与该物体的质量相当,并尽可能使其保持现有的状态,不论是静止状态,或是匀速直线运动状态。

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找回你初中没学到的认识!

牛顿的惯性定律:任何物体在不受外力时,总保持静止或匀速直线运动状态,这就是惯性定律(牛顿第一定律)

本书中修改后的定义如下:

惯性的定义:在引力场中,物体具有保持当下运动状态的性质,叫做惯性。

牛顿第一定律应该是这样的:在引力场中,物体所受外力为零的时候,总保持当下运动状态的运动,叫牛顿第一定律。

无论是牛顿的定义,还是本书中修改后的定义,都可以看出,力不是保持物体运动的原因,惯性才是。

牛顿第二定律又揭示了力是改变物体运动状态的缘由。牛顿第二定律:物体加速度的大小跟作用力成正比,跟物体的质量成反比,且与物体质量的倒数成正比;加速度的方向跟作用力的方向相同。

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总结:牛顿第一定律(惯性定律)是力的定性的定义,它给出力在什么条件下存在和什么条件下不存在的定性条件。牛顿第二定律给出了力的定量的定义,即力等于动量的时间变率;如果质量不变,力也等于质量乘加速度。牛顿第三定律指出,对每个力而言,必有一大小相等方向相反的反作用力存在。它指出所有的力都是成对的,只在两个物体相互作用时才能实现(见牛顿运动定律)。

力的作用效果只有两点:1.力可以改变物体的形状,使物体发生形变。

2、力可以改变物体的运动状态(速度大小、运动方向,二者至少有一个会发生改变)。

那末如果一个物体发生了形变,或者产生了运动状态的改变,就一定有力存在。

力和能量而言,很明显,能量是更本质的东西。一个物体不一定是施力者或受力者,但一定具有能量。无论它处于甚么状态,都具有能量。这就是爱因斯坦的贡献。即便不使用相对论质能关系,也可以得到,不管物体处于甚么状态下都具有能量的结论。

一个匀速运动的不受力的物体,有能量。运动本身具有动能。而由于万物都在运动,万物都受到万有引力的影响,你找不到不具有能量的物体。

当然,一样也找不到完全不受力的物体。所以力和能量,能量是更根本的东西。那末现在来回答,力和能量有什么关系?有什么区别?

他们之间的联系就是功,其实上面已经说了。力对物体持续【时间】作用的累积,就是功。是物理学中表示力对物体作用的空间的累积的物理量。而能量也是用功来表示的,这不是它们之间的联系吗?

不同点,和区分的地方,就在于能量是更根本的东西。你可以想象一个物体不受力,但你不能想象一个物体没有任何能量。由于某物体受力是有条件的,但某物体具有能量,是不需要条件的,有质量的物体,都具有能量。这不难理解。

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而且在此书中关于质量的定义就是:质量是物体在相对时空中的一种物理属性,物体所包含能量的多少是物体质量的量度。

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也可以通俗的说,能量是普遍存在的,力却不是普遍存在的。我们也知道能量守恒定律,但没有听说过力的守恒定律。

其实力可以看作是能量的“表现”,没有无缘无故的力,哪怕是引力也是。必须有物资存在,才能说有引力。而爱因斯坦的拓展,就是告诉我们,质量和能量是一个东西,是一东西不同的情势表述而以。质量具有惯性,能量也具有惯性。

这就是力和能量的区分和联系。还有一点,能量是守恒定律告知我们,能量是永久存在的,不会灭亡。而力不是永久存在的,但记住,力的作用,力产生的作用效果其实是永恒的。就好像我们说的“蝴蝶效应。”蝴蝶用力煽动翅膀,扇了一下,力作用于空气,空气又给胡蝶一个力。力推动空气运动,空气又影响周围空气……也可以说,力转化为了能。

课本问题,和现实中遇到的问题还是有区分的。比如我给你留一个问题,你来回答一下。我们假定你作为成年人一拳可打出200N的力,你现在一拳打在空气中,如果根据作用力和反作用力相等,你会受到一个反作用力,可是为什么你感觉这个反作用力很小。而打在墙上,却疼的无法忍耐?

你回答完这个问题,我再深化一下问题。你再想想该怎样回答。巡视组:天津国企大案要案频发 城建腐败突出
假如在真空房间中空无一物,一个铁拳,知道质量10kg,也知道它的加速度到达了10m/s2。这时它1拳打在真空中。问题是力产生了吗?力的大小应该是多少?

还有一个点,学生们应当很少会问这个问题,可能不是因为想不到这个问题,而是认为问这个问题傻。那就是力的传递速递是多少?

如果认真看完了此书的内容,你可能会对这个问题愣一下。但应当很快就能想明白,并不难。力包括很多力,比如重力、万有引力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力、核力……但力的本质一样,都是物体对物体的作用。

那末就很清楚了,引力的传播速度是光速,那么力的传递速度上限就是光速。肯定有低于光速的,比如空气振动产生的力,空气振动不能到达光速。

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同样能量传递的速度上限,也是光速。光本身也是一种能量。

这一章的内容,要接近尾声了。在这里提一个和本章看似无关的内容,是读者在上问我的。他问我说:“你认为时间是没有过去,没有未来的,可是过去是实实在在的呀?你能说它是假的吗?虚拟的吗?”

首先本书中时间的定义是这样的:时间是物质在引力场中的位置和运动速度的应变度量过程;它是物资存在的客观形式。

我是这样回答他的:从定义你可以看出,时间是强调当下时间的。但不是说,时间是一个点,时间对具体物体而言,是一个点。但从宇宙万物来说,就是一个大的场。你可以理解为高低不平,快慢不同的时间海洋。物体处于宇宙中不同的位置,有不同的质量和速度,那么时间流逝一定是不一样的。

不是说过去是虚拟的,不是说过去的时间是假的。过去是真实的,过的时间也是真实的。但说时间没有过去和未来,是为了说明,过去的时间不再是可以利用的时间,它已经失去了“时间”的意义。未来也一样,未来的时间,还没有显示其实用性,你无法把过去和未来的时间利用在你身上。只能说过去的时间,是既定的事实事件,未来的时间,是未来的既定事件。

而且在前面章节,有说到过,时间,空间,物质是一体的,无法分离的这个概念。这就是我给这为读者的回答。

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其实你仔细去想,从惯性,力,能量;惯性定律,楞次定律,和其他各种守恒定律,都可以从中感受到万物的联系和万物的协作,一定是有缘由的,一定是统一的。我们不理解的东西,仅仅在于知识面还没有达到那个东西之上。我们需要做的,就是搭桥,当桥搭足够多的时候,你会发现,原来通往那个我们不理解的地方的路,在这里啊。

摘自独立学者,科普作家灵遁者科普书籍《变化》。

灵遁者书籍作品运行vx:lingdunzhe。

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