下面,我们来详细考察质点受力后的运动变化情况
(以下讨论中使用到力和力矩概念时,与现行物理教材略有不同,望体认)
一个质点如果不受力的作用,由于惯性,它将保持它的运动状态不变——(平)动者恒动,(旋)转者恒转
一个质点如果受到(平动)力的作用(非力矩作用),它将保持转动状态不变,平动状态马上变化。
质点将产生一个加速度a,使描述其平动状态的速度v发生变化。根据牛顿第二定律,F=ma,这个加速度的方向由外力方向决定,与外力方向相同;加速度的大小与外力F的大小成正比,与其惯性大小m成反比。
分两种情况讨论:
如果外力方向与运动方向相同
,加速度方向与速度方向相同,此时速度的方向不变,只有速度的大小变化,质点做变速直线运动。从动量角度看,将发生动量大小的变化;从能量的角度来看,外力做功,将产生平动动能的变化。
如果外力方向与运动方向垂直
(也称为向心力),加速度方向与运动方向垂直(也称为向心加速度),此时速度的大小不变,只有速度的方向改变。从动量角度看,将发生动量方向的变化;从能量的角度来看,外力不做功,质点的动能不变
质点受到任意任意方向的外力时,我们可以将力分解为沿运动方向的力和垂直运动方向的力,质点同时发生两个方面的运动变化
以上推论都是基于牛顿力学得出的。
如果在失重状态下,遇到一个没有学过牛顿力学,深受传统影响影响的古人,力产生运动的认识深深印在他的脑子里,现在向他提出下面的问题:
平抛出去的石头,如果受到一个竖直向下拉力的作用,石头将怎样运动?他可能会回答,石头将沿力的方向掉下来
我们将石头的平抛运动轨迹演示给他看,并问他产生这种运动的原因,他将如何回答?——他遇上大麻烦了!
而我们则可以依据牛顿模式,清晰地告诉他,石头在水平方向不受力的作用,由于石头的惯性,它将保持它在这个方向的速度不变,而在竖直方向上,由于受到力的作用,产生竖直方向的速度和速度变化,它将做曲线运动……我们甚至还能依据有关的规律,具体描述石头的运动轨迹轨迹
如果在地球上,以第一宇宙速度水平抛出石头,石头将绕地球做匀速圆周运动,问古人,
石头为什么不掉下来
?他将瞠目结舌。
而我们则可以根据牛顿模式告诉他,由于石头在前进方向不受力,由于惯性,它将保持其速度大小不变,由于石头只受到垂直运动方向的力,产生向心加速度,所以它只改变运动的方向,石头将做匀速圆周运动