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难解的定律

在牛顿的力学三大定律中,没有一个定律像著名的第三定律——作用与反作用定律——那样令人困惑。每个人都知道它,有人甚至知道如何正确地运用它,然而,很少有人能完全理解它。你可能很幸运地一下就掌握了它的含义,但我承认,我花了10年时间才找到问题的核心。

与我讨论过这个定律的大多数人都愿意承认它是正确的,但对几点基本认知仍持保留意见。他们愿意承认第三定律适用于静止的物体,但不能理解它如何适用于运动的物体。根据该定律,每一个作用力总有一个与其相等且相反的反作用力。因此,当一匹马拉着一辆马车时,马车应该正以同样的力量拉着马。在这种情况下,马车应该留在原地,不是吗?但它还是动了。既然这些力是相等的,为什么不互相抵消呢?

这是讨论这个定律时经常听到的问题,这是否意味着这个定律是错误的呢?当然不是,只是我们没有正确地理解它。这些力并没有互相抵消,而是施加在不同的物体上:一个施加在车身上,一个施加在马身上。这些力当然是相等的,但相等的力是否总是产生相同的作用?相等的力是否会给所有的物体带来相等的加速度?难道对一个物体的作用力不取决于这个物体本身以及物体对力的“反作用力”的值吗?一旦想到这一点,你就会立即察觉:为什么尽管车以同样的力把马拉回来,但马仍会拉着车走呢?你会发现,作用在车上的力和作用在马身上的力在每一时刻都是相等的,但由于车依靠车轮轻松地滚动前进,而马依靠马蹄勉力地推离地面,所以车会向马拉它的方向移动。另外你要知道,如果没有车对马的反作用力,我们就完全不需要马,因为即使最轻微的推力也会使车移动。我们需要马来克服车的反作用力。

如果这个定律不像通常那样简单地表达为“作用等于反作用”,而是表达为“作用力等于反作用力”,也许更易于领会。因为相等的只是力。而作用——如果像通常那样把“力的作用”理解为“物体的移动”——因为受力的物体不同,一般来说是不相等的。

1934年2月,苏联的“切柳斯金号”探险船在北极地区被浮冰挤碎。牛顿第三定律可以完美地解释这场事故的成因:当冰块挤压“切柳斯金号”的船体,船体便以相同的力量挤压冰块,灾难的发生正是因为厚厚的冰层能够承受这种压力而不溃决,空心的船体却屈于这种力量而被挤碎,尽管它是由钢铁制成的。

在下落过程中,每个物体都同样遵循作用与反作用定律,尽管两种作用力无法同时显现。苹果之所以坠落,是因为它被地球的引力所吸引。然而,苹果本身也以完全相同的力量吸引着地球。严格说来,苹果和地球相向坠落,但它们的下落速度是不同的。相互吸引的力量赋予苹果10米/二次方秒的加速度,而赋予地球的加速度则与其质量相反,地球的质量比苹果大多少倍,地球的加速度就比苹果小多少倍,由于地球的质量远远大于苹果的质量,所以地球的运动微乎其微,以至于实际中被忽略不计。因此我们要说“苹果落在地球上”,而不是“苹果和地球相向而落”。 uqu54JaY+M91lHi/4BrD0UkiIVU5YKO6X49AFdkeKS4LmVNkkiQIxTx7ppvgZOc9

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