趣说物理:改变世界的工程师
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2.8 运动场上的惊险一幕

运动场上,很快就要举行精彩的男子100米决赛。你瞧,起跑线上六名运动健儿做着预备姿势,正全神贯注地等着发令员的枪声。

“啪”的一声,枪响了。六个运动员像离弦的箭一样几乎同时飞了出去。观众异常兴奋,拼命地为这六名运动健儿喊着“加油”,这更激起运动员的斗志,拼命向终点冲刺。

正当运动员向终点冲刺的时候,有个不懂事的小孩闯进了跑道,虽说在终点之外,却离终点很近。这可把值勤人员急坏了,只见他冲进跑道,夹起小孩就往外跑。刚把小孩夹出跑道,运动员们就已经冲过来了。多险啊!观众们着实为那个小孩捏了一把冷汗。

大家都知道,参加赛跑的运动员,到达终点后,总要向前冲出一段距离。要不是那位责任心强的值勤人员把小孩抢出跑道,那个小孩很可能被撞到。

运动员到达终点后,为什么要向前冲出一段而不是马上停住呢?这是因为惯性的缘故。那么,什么是惯性呢?

物理中有这样一条定律:“一切物体在没有受到外力作用的时候,总保持匀速直线运动状态或静止状态不变。”这条定律是说,如果物体没有受到外力的作用,它的运动状态就不会发生改变,即:原来静止的物体将继续保持静止;原来运动的物体将按自己原来运动的方向,原来运动的快慢,丝毫不变地继续运动下去。这就是所谓“静者恒静,动者恒动”。这条定律,来源于力学奠基人——牛顿的名著《自然哲学的数学原理》,牛顿把它称为力学第一定律。我们通常把它叫作牛顿第一定律,也叫作惯性定律。

用“惯性”这个词描述物体“习惯”于自己原来的运动状态这种特性是很恰当的。因为物体在没有受到外力作用的时候。它不会改变自己本身的状态。这不是物体“习惯”于自己原来的运动状态的性质又是什么呢?不过,你可知道确定使用“惯性”这个词,还有一段历程呢。

惯性这个词是由外文翻译成汉语的,起初它被译为“惰性”。它的意思是说,物体具有懒惰的特性。这个词有点委屈了物体,在不受外力作用的情况下,原来静止的物体保持自己的静止状态不变,毫不动弹,确实显得很懒惰;可是,那些原来处于运动的物体,却总是保持自己的速度而运动,它们不知疲倦地跑着,甚至是飞跑着,一点儿也不懒惰呀!正因为这样,“惰性”这个词最终被抛弃了,而用“惯性”这个词。它的意思就是说,在没有外力作用的情况下,物体习惯于自己原来的状态。

所有的物体都具有惯性,但并不是所有物体的惯性都相同。你瞧,移动一个放在桌子上的墨水瓶,易如反掌,而搬动一个沉重的柜子,却不是那么简单的事。这就是说,在外力的作用下,物体力图保持它们“静止”习惯的能力大小是不同的。墨水瓶一触即溃,而沉重的柜子却顽固异常。两辆卡车,一辆空车,一辆满载,要使它们开动起来,空车要比满载的车容易得多。一旦开动起来,假若它们以同样的速度前进,遇到特殊情况需要刹车,空车容易刹住而满载的车却困难得多。这就是说,满载的车保持自己原来运动状态的能力强,而空车保持自己原来运动状态的能力弱。类似的情况,在日常生活中是屡见不鲜的。实际情况表明,物体的惯性各不相同,越沉重的物体,惯性越大。

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牛顿第一定律

地球上的物体总是受到其他物体的作用,根据其受力的效果,可以判断力是否存在。但如果一个物体不受任何力的作用,将会出现什么现象呢?

牛顿在伽利略等人的研究基础上,经过长期的实践和探索,总结出:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止,这就是牛顿第一定律。

牛顿第一定律所描述的物体不受外力作用的状态是一种理想化的状态,在自然界不受力的作用的物体是不存在的。在实际处理问题时,牛顿第一定律可理解为:当物体受到的几个力共同作用时,若这几个力对物体的作用效果相互抵消,物体将保持静止状态或匀速直线运动状态。

换一个角度来看,牛顿第一定律诠释了运动和力的关系——力不是维持物体速度的原因,而是改变物体速度的原因,是使物体产生加速度的原因,当然力也是使物体发生形变的原因。