力的作用是瞬时的吗?
力的作用是瞬时的吗?力可以改变物体的形状。力的作用也是初等力学中的基本概念之一,它也能改变物体的运动状态。但是力的作用是瞬时的吗?让我们来看看。
力的作用是瞬时的吗?1不,力分远距离作用和近距离作用。远距离动作是瞬间的,近距离动作不是。比如运动电荷的相互作用,牛顿第三定律不适用,因为它们之间的库仑力不是距离相互作用。
力的作用有两种:改变物体的运动状态,改变运动速度或方向。力的作用与力的大小、方向和作用点有关,称为力的三要素。当速度方向有一个很强的力时,当然力的速度是变化的。同样,当力垂直于速度方向时,速度方向没有力,所以速度不会改变。
但因为有一个垂直方向的力,可以看作是向心力,物体会围绕力的切线方向做圆周运动,改变了速度的方向。比如地球和太阳之间的引力可以看作是一个垂直于地球运动方向的力,地球会绕着太阳转,太阳会改变方向。
力对物体的影响:
1,力可以改变物体的运动状态(运动速度和方向);
2.力可以使一个物体变形(包括弹性变形和塑性变形);
3.物体的运动和静止可能随着参考物体的不同而不同;
4.运动和静止是相对的;
5.只有相对静止和相对运动,没有绝对静止。运动是绝对的,世间万物都在运动。包括最小的分子。分子从未停止随机运动;
6、力的作用是相互的。
力的作用是瞬时的吗?力的作用在物体内部产生力波。
我们先来看一个思维实验:
如图1,假设在远离各种天体的太空中有一根长度为2秒的均匀直弹簧,质量为m,弹性系数为k,直径为d,材料密度为ρ,线径为d,弹簧的一端与小火箭(或人造卫星)紧密相连。现在火箭点火,使火箭对弹簧施加一个恒定的推力F,力的方向沿着弹簧方向。
图1火箭推动太空弹簧思维实验示意图
上面这个题目是作者为了满足业余时间学习理论物理的需要,模仿“思维实验”的思路而设计的一个“理想”问题。长度为2秒的均匀直弹簧是一个超现实的“物体”,在我们平时的接触问题中不可能有这种尺度的物体。
问题中的“直弹簧”也可以用直钢筋、直钢管等物体代替,但由于这类物体弹性系数较大,不利于引导问题的思路。
如果弹簧的长度是一个很小的弹簧,比如a=F/m,20m,许多读者会简单地处理这个问题,认为弹簧会做匀加速直线运动,a = f/m..
现在弹簧是2秒长的东西,问题就变复杂了!读者可以自行仔细分析。限于篇幅,笔者就不展开了。
如果仔细分析,自然会引出以下问题:
1.弹性的传播速度是多少?各种力量的作用是瞬间的吗?
2.F=ma可用吗?比如长度限制?还是可以在物体的尺度不超过一定限度的前提下,把它当作一个物体来对待?这个极限是什么?
3.F=ma是否暗示瞬时动作?还是只是小范围的近似?
所有的动作都有一定的传播速度,具体速度取决于物体本身的内部结构,或者说力实际上是接力传递的,力从受力物体的一个地方运动到另一个地方需要时间。任何力作用于物体时,该力都会在物体内部产生力波(如弹性波、推力波、压力波、摩擦波、张力波、浮力波、引力波、电磁波)并以一定的速度传播。
正因为日常生活中的物体都是小尺度的物体,所以我们忽略它们来简化问题。F=ma并不暗示瞬时效应,只是对象的尺度有限。当我们研究的物体尺度较大时,就不能简单地把它当作一个物体,即F=ma中的m不可能是整个物体的质量,而只是其中的一部分。
如果故意用F=ma,那只能是宏观时间上的近似。自古以来,我们人类就把看到的一切都归入所谓的“宇宙”范畴,以至于无论我们看向哪里,都是我们的宇宙,并把这个宇宙视为一个整体。而这种观点是值得质疑的。
在形成这个认知结论的过程中,其实信息(光)的传播已经被默认为不受时间限制,即光的传播速度是无限的。现代物理学已经精确地测量出光速不是无限的,修正信息的传播不需要时间。但我们人类避免谈论这样一个事实,即把宇宙作为一个整体来看待也是一种认知错误。仍然固执地把你看到的所有天体当作一个整体。
平时我们看到的都是“近在咫尺”的物体,而这些物体存在时的透光信息几乎“不需要”时间就能传入我们的眼睛,导致我们误以为看到的意识是客观存在的物体,混淆了两者。
然而,随着我们人类的研究对象不断向太空深处延伸,我们看到的天体离我们越来越远,甚至几亿光年。我们还能继续混淆意识和客观来研究和讨论吗?继续装傻?
遥远的天体,无论离我们有多远,它们原本发出或反射的光信息,经过一定的距离和时间,现在同时进入我们的眼睛,被我们感知,最终形成我们现在看到的宇宙景象。所以我们现在所看到的宇宙(自古以来)其实就是宇宙中各种客观物体的历史存在信息在我们大脑中当前位置的历史总和的反映。
每个客观物体的历史时间(t)等于它对应的意识离我们的距离(s)除以光速(c)。即:
t=s/c
所以,某种意义上,我们总能看到的是宇宙的历史,而不是宇宙的现在。
因为我们人类生活在地球上,为了方便了解宇宙,我们可以在一定距离上,以地球为中心,建立一个虚拟的宇宙球模型,把这个尺度的所有天体虚拟成一个虚拟的宇宙。如图4所示,为了便于阅读,只画出了球的下半部分。
因为光和作用(主要是引力)在真空中的传播速度等于光速,所以现在虚拟宇宙球体中的天体对我们的影响(作用)是“同时的”(对于遥远的天体来说,因为光和作用已经传播了上亿年,方式太复杂,不能保证光和作用同时达到,但是因为离我们地球太远,这种影响应该小到几乎可以忽略不计)。
信息和功能的最大延迟时间不会超过相应的时间。比如1秒的球体中天体(客观现实)的信息和行动延迟时间不会超过1秒,一般等于这个时间。
同时,因为所有的天体都是运动的,有些天体的尺度比较大,我们还可以按照距离段建立虚拟宇宙球壳模型,比如第三光秒的虚拟宇宙球壳,第二光年的虚拟宇宙球壳等等。
在建立虚拟宇宙球和球壳模型的过程中,考虑到地球的运动大于恒星的运动,为了研究问题的方便,我们还可以建立以太阳或其他天体为中心的虚拟宇宙球和球壳模型。或者基于一个虚点(比如太阳系的质心)。
然后根据虚拟宇宙模型,分析计算天体的运动规律。这将大大简化问题。
力的作用是瞬时的吗?需要理解的3个要点:
(1)力具有物质性:力没有物体就不能存在。
描述:①对于一个物体,可能有一个或多个物体施力。
(2)先没有力的对象,后有力的对象。
(2)力是相互的:一个力总是与两个物体相关联,施力物体也是施力物体,施力物体也是施力物体。
描述:①交互对象可以直接接触,也可以不接触。
②用测力计测力。
(3)力是矢量:力不仅有大小,还有方向。
(4)力的作用:改变物体的形状;使物体的运动状态发生变化。
(5)力的类型:
①根据力的性质命名:如重力、弹性、摩擦力、分子力、电磁力、核力等。
②按效果命名:如压力、张力、功率、阻力、向心力、回复力等。
注意:根据效果命名的不同名称的力和性质可以相同;同名的力可以有不同的属性。
重力
定义:地球引力对物体施加的力称为重力。
描述:①地球附近的一切都受到重力作用。
万有引力是地球引力产生的,但不能说万有引力就是地球引力。
③重力的对象是地球。
(4)在两极,引力等于物体的万有引力,但在其他位置不相等。
(1)重力的大小:G=mg
描述:①如果同一物体在地球表面不同地方的引力不同,纬度越高,同一物体的引力越大,那么同一物体在两极的引力就比赤道大。
②物体的重力不受运动状态的影响,与是否受到其他力无关。
(3)在处理物理问题时,一般认为在地球附近的任何地方,引力的大小都是恒定的。
(2)重力方向:垂直向下(即垂直于水平面)
描述:①两极和赤道上的物体受到地心方向的引力。
②重力的方向不受其他力的影响,与运动状态无关。
(3)重心:重力对物体的作用点。
重心的确定:①质量分布均匀。物体的重心只和它的形状有关。形状规则的均匀物体,其重心在几何中心。
②质量分布不均匀的物体的重心与其形状和质量分布有关。
(3)薄板状物体的重心可用悬挂法确定。
描述:①物体的重心可以在物体上,也可以在物体外。
②重心的位置与物体的位置、摆放和运动无关。
(3)引入重心概念后,在研究具体物体时,可以把整个东西。