牛顿运动定律相信大家都不会陌生,其中尤以第三定律,作用反作用原理最让人难理解。虽然真的了解这条定律的人不多,但是日常生活中使用它的人却不胜枚举。
曾经,我和很多朋友聊到过这条定律,大家对它的态度都是肯定与质疑并存。
他们一致认为,这条定律对于静止的物体是肯定适用的,可是对于运动着的物体就不敢保证了。这条定律的精髓就是作用永远等于反作用。如果以马拉车来举例子的话,也就是指,马拉车的力是等同于车拉马的力的,那么对此我们不免会产生疑问,既然两种力是相等的,那么它们不是应该互相抵消,而使得马和车都静止不动吗?可是现实情况是车总是在不断地向前行驶。
针对这条定律,人们最大的疑惑就在这里。可是我们就能因此认定它是一条错误的定律吗?当然不能,只能说我们自己还没有完全理解它。虽然作用力和反作用力的大小是相等的,可是它们并没有相互抵消,而是将这两种力分别作用到了不同的物体上:一个作用到车上,另一个作用到马上。两个力大小相等,但不曾有任何定律告诉我们,同样大小的力必会产生同样的作用,从而使得物体有了相同的加速度,因为这样等同于漠视了反作用力的存在。
由此,我们不难明白,虽然车的受力和马的受力大小相等,可是由于车轮是在做自由位移,而马是有目标方向的,因此两种力最终都会作用于马行进的方向,而使得车朝着马拉的方向行驶。车拉马就是为了克服车的反作用力,而如果车对马的拉力不产生反作用,那么任何的力量都可以带动车行驶了。
而为了方便大家理解,我们可以将“作用等于反作用”的表达改为譬如“作用力等于反作用力”这样的表达方式,我想这样产生的理解障碍就会小得多。因为这里相等的只是力的大小,而非作用,作用力与反作用力总是施加在不同的物体上,如图1-6所示。
图1-6 作用力与反作用力
作用反作用原理在落体运动中同样适用。我们都知道牛顿是由苹果坠落想到的力学定律,而苹果之所以坠落是地心引力的作用,其实同样的,苹果对地球也有同样大小的引力。因此,就苹果和地球而言,两者互为落体,只是下落的速度有所不同。而物体在下落过程中,加速度起主要作用,同时加速度的大小又与物体的质量有关,毋庸置疑,地球的质量远大于苹果,因此相对的加速度也就远远小于苹果,这就致使地球向苹果方向的位移微乎其微。这就是人们只说苹果落到地上,而不说“苹果和地球彼此相向地落下”的原因。
根据上面讲的作用反作用原理,请仔细观察图1-7,你觉得作用在儿童气球上有几个作用力呢?你可能会脱口而出:“气球的牵引力、绳子的牵引力和坠子受到的重力。”请别急,看完下面的讲解再来回答,一定不会是现在这个答案了。
图1-7 反作用力
不知道大家有没有留意过自己开门时的力:手臂上的肌肉收缩起来,将门向身体拉近和将你与门的距离缩短的是相同的力。这时候存在着两个作用力,一个作用在你的身体上,一个作用在门上。如果是你推开门的话,那就是你的身体和门是被力推开的。
其实,不管是什么性质的力,它们的情况都与上面所说的肌肉力量一样“成双成对”。施力的物体受一个力,还有一个是加在受力的物体上的。
“作用等于反作用”就是能概括上面那段说明的力学定律。存在于宇宙间的力没有一个是“孤单”的,当表现出力的作用时,在别的地方必定有与之方向相反且大小相等的力,它们两个的作用是在两点之间,使之相近或相离。
我们回过头来思考前文提出的问题。既然每个力都有正好与之大小相等方向相反的力,那么加在系气球的线上的力就是与力 P 相对的力,它是气球的线传导到气球的(图1-8中的力 P 1 );手上的力是与力 Q 相对的力(图1-8中的力 Q 1 );地球吸引坠子,反过来,坠子也吸引着地球,所以地球上的引力与力 R 相对(图1-8中的力 R 1 )。
图1-8 作用力与反作用力
还有这样一个问题:将一节绳子的两头分别加上10N的力并向相对方向拉扯,这时有多少张力存在于绳子上?仔细读一遍问题,再回想刚才说的“作用等于反作用”。答案出来了,是10N。这是因为一对方向相反大小相等的力组成了这个绳子上的“10N的张力”。说“有两个10N的力将绳子拉向正相反的两头”与“有10N的力作用在绳子上”没有区别。
总之,力的作用与反作用是力学中的最基础概念,它贯穿力学的始终,如能深刻理解作用力与反作用力之间的下列特点,将对学好力学是很有裨益的。
1)作用力与反作用力大小相等、方向相反,作用在同一条直线上。
2)作用力与反作用力不能抵消,因为它们作用在不同的物体上。
3)作用力与反作用力是同时出现,同时消失的;作用力的作用类型也是相同的,如果作用力是万有引力,则反作用力也是万有引力。
小实验 :为了进一步说明上述结论,请看下面作用力与反作用力的小实验。
如图1-9所示,用两匹马向相反的方向拉一具弹簧秤,这两匹马的拉力都是1000N。请回答此时弹簧秤的指针应该指向多少?
图1-9 作用力与反作用力实验
很多人都会回答:两匹马各施加1000N的力,那就是1000+1000=2000N。但这个受到很多人认可的答案是错误的。根据作用反作用原理,大小相等且方向相反的力属于一对,所以拉力是1000N,而不是2000N。