惯性&牛顿第一运动定律

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身体,如足球,除非受到外力的作用,否则将保持静止。Vasanth C.Shunmugasamy,博士后研究助理)

Isaac Newton第一运动定律描述了一个大质量物体在静止或匀速直线运动中的行为,即不加速或旋转。第一定律规定,“静止的物体将保持静止,运动的物体将保持运动,除非它受到外力的作用。”

这只是意味着事物不能单独开始、停止或改变方向。要引起这样的变化,需要外界对他们施加某种力量。虽然这个概念在今天看来简单明了,但在牛顿的时代,它确实是革命性的。

牛顿在1687年发表了他的运动定律,在他的开创性著作《自然哲学的数学原理》中,他正式描述了大质量物体是如何运动的外力的影响。

牛顿扩展了伽利略早期的工作,根据俄勒冈大学物理学教授格雷戈Bothun的说法,伽利略发展了第一个精确的质量运动定律。伽利略的实验表明,所有物体无论大小或质量如何,都以相同的速度加速。牛顿还对笛卡尔的著作进行了批判和扩展,笛卡尔在1644年出版了一套自然定律,那是牛顿出生两年后。笛卡尔定律与牛顿第一运动定律非常相似。

在当时,大多数人认为身体的自然状态是静止的。显然,要使静止的物体运动,需要施加外力。然而,也有人认为它需要一个持续的外力来保持物体的运动。根据他们对日常用品的经验,这并不是一个完全不合理的结论。毕竟,如果你的马停止拉,你的马车就会停止滚动,如果风停止吹,你的船就会停止移动。因此,人们认为这些物体只是恢复到自然的静止状态。直觉的飞跃让我们意识到必须有外力来阻止这些物体的运动。

以一块平坦的石头在结冰的湖面上滑动为例。如果那块石头是一块抛光的大理石,它会比粗糙的铺路石滑得更远。很明显,粗糙的铺路石上的摩擦力比磨光的大理石上的摩擦力大。然而,虽然大理石与冰之间的摩擦力小于粗糙的石头与冰之间的摩擦力,但仍然不是零。

如果摩擦力为零,会发生什么?牛顿的天才之处在于,在这种情况下,他意识到如果没有外力的存在,物体就没有理由停止运动。

惯性参考系

这一大质量物体抵抗其运动状态变化的特性称为惯性,这就导致了惯性参考系的概念。惯性参考系可以描述为既不加速也不旋转的三维坐标系;但是,相对于其他惯性参考系,它可能处于均匀的线性运动中。牛顿从未明确地描述过惯性参考系,但它们是他第一运动定律的自然结果。

当我们说一个物体在运动时,人们可能会问,在运动中与什么相比?你能徒手接住一个时速100英里的棒球吗?如果你坐在时速100英里的火车上,火车上有人轻轻地把球扔给你,你就可以。列车和轨道都存在于自己的惯性参照系中,而球的速度取决于所观察到的惯性参考系。如果你站在月台上,火车上的一个乘客把球从窗外扔给你,那么试图用溜溜球接住球是不明智的