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[基础科学] 一、牛顿力学缺陷的修补

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  • TA的每日心情
    擦汗
    2015-3-19 07:17
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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2018-1-25 15:40:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

    一.牛顿力学缺陷的修补

    1.惯性新说

    所谓惯性新说,不是否定和摒弃传统的惯性理论,再炮制一套新的东西,而是在原有惯性理论的基础上,对物理力学教材上解释惯性的不正确论断作出修正和诠释,从而完善惯性理论。本文的惯性推论有二点:一、物体运动状态不变和变化的两种状态中,有惯性保持和惯性反抗两种不同形式的表现;二、惯性反抗即通常说的惯性大小,由物体的质量和加速度共同决定。本文作出惯性新定义,以惯性是物体的固有属性为原则,将物体的运动状态变化时的惯性反抗包括进去;将合力为零匀速的圆周运动或定轴转动视为惯性运动,惯性运动即没有外力维持的运动状态不变的运动。
    关键词:惯性运动,惯性保持,惯性反抗,惯性作用,惯性新定义

    (一)惯性理论解释中的问题

    在各种中学大学教学辅导书及惯性理论的论文中,惯性的定义和推论基本相同,表达如下:
    惯性定义:一切物体在不受外力作用时,总保持匀速直线运动状态或静止状态,这种性质叫做惯性。
    惯性的推论:1、惯性是物体的固有属性,它与物体的运动状态、受力情况无关。2、当物体所受的外力为零时,惯性表现为保持物体的运动状态不变;当物体所受的外力不为零时,惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度。3、惯性不是力,不存在所谓的惯性力。4、惯性在物体运动状态不变和变化的过程中始终相同。5、物体的惯性大小是由质量惟一决定的,质量大的物体惯性大,质量小的物体惯性小。
    本文认为:惯性的定义有缺陷只对了一半;惯性的推论都有问题。推论1从惯性的存在性意义上说是正确的,物体运动状态改变或不变也可说不管受力与否惯性始终存在,但对不同情况惯性表现不同没有说法;推论2说法正确但继续解释含糊,而人们的认识和理解大都不正确;推论3、4、5问题严重。
    惯性有问题的三个推论,可总结为三个疑问:
    [一]惯性不是力的疑问:惯性若不表现为力,它又怎么使外力改变物体的运动状态时有难易程度?难易程度难道不是一种作用吗?
    [二]惯性在物体运动状态不变和变化的过程中始终相同的疑问:物体的运动状态从不变到变的某一连续过程中,物体的运动状态不变时,物体上保持着惯性;物体的运动状态变化时,物体上的惯性还是原先的惯性吗?若还是原先的惯性,但物体已经不是原先的运动状态,惯性在物体运动状态不变和变化的过程中始终相同如何体现?
    [三]惯性大小是由物体质量惟一决定的疑问:设甲乙两物体的质量比为1比10,加速度比为10比1,可想而知,两物体上的外力相等,也就是外力改变两物体的运动状态难易程度相同,如何解释这两个物体的质量不同却有相等的惯性大小?
    惯性推论有疑问,是惯性定义有缺陷产生出的问题。回答或解决疑问,这就要分清惯性在两种情况下始终存在却有不同表现,以此修正和完善惯性定义,即可圆满地解决惯性问题。

    (二)惯性在两种情况下的不同表现

    “当物体不受外力作用时,惯性表现为物体保持运动状态不变;当物体受外力作用时,惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度。”这个教辅上和惯性理论上常用的论断第一分句可取第二分句就有问题了,持这种说法在谈到“难易程度”时总是小心翼翼地避开导致难易的原因。物体运动状态既然分不变和变化两种情况。就要有两种惯性表现。
    第一种情况的惯性表现。物体在静止或匀速直线运动状态时,惯性的表现是保持这种状态不变,这是一种自然的本能的性质,不需要力或别的什么参与。也正是没有力或合力为零的前提下才有惯性的保持,此时既谈不到惯性的大小,也说不出它用什么方法和手段来保持运动状态不变的。应该说,惯性保持是一种基本状态,这种状态被破坏就要产生反作用。
    第二种情况的惯性表现。这时的惯性物体没有直线匀速的外部表现,却有内在本质的惯性表现。物体在运动状态改变时,物体上没有了原先的惯性表现,但惯性仍存在,此时的惯性保持转化为惯性反抗。正是有惯性反抗,才使外力物体感到有难易程度。
    由于惯性定义的缘故,所以说惯性总是指物体的静止或匀速直线运动状态。以此现象为惯性表现,物体在受力后的加速运动便没有惯性表现或表现联系不上惯性。这是因为此时的惯性保持已发生了变化,转变为惯性反抗了,不再表现原先的运动状态不变,而是表现运动状态正在发生变化。因此,当“惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度”时,在现象上见不到惯性基本状态的表现。
    关于惯性的认识和理解存在着模糊和偏见,症结在这里:将物体的惯性限制在保持静止或匀速直线运动状态,物体受力后加速运动时惯性在哪里如何表现无可奉告。物体在任何情况下都有惯性,但运动状态变化了就没有静止或匀速直线运动状态的惯性表现,认识这时的物体惯性,只有理解物体的惯性转化为力使外力物体受到反作用才行。
    物体在运动状态不变和改变两种情况下均有惯性,只有运动状态不变时才表现为通常说的惯性,因此就不能笼统地用惯性一词来表述。为了准确表述物体在不同情况下的惯性,宜将保持运动状态不变的表现叫做惯性保持或简称为惯性;将受力后运动状态改变时的惯性叫做惯性反抗
    惯性反抗可说是惯性作用即惯性力,有反抗就有作用,没有作用的反抗是没有行动的还是等于没有反抗。坚守惯性必匀速直线运动的人很是反惯性作用,但惯性内在本质与作用的联系实存实在不容抹杀或割裂,强烈否认或强行拆分惯性与作用的客观结合,只能是“抽刀断水水更流”。

    (三)惯性定义的完善

    本文认为惯性定义有缺陷,要作理论修补使其完善,即作惯性新定义。
    人所共知的物体的惯性描述:惯性是物体的固有属性。此话是说,无论物体运动状态变化与否,惯性始终存在。而惯性定义只说明物体保持静止或匀速直线运动状态这一阶段,物体运动状态变化时期不再提惯性,虽没公开声明但似乎隐藏着这时物体上不存在惯性的意图。
    这是惯性的属性认识不正确还是惯性的定义不完善,显然是后者。因为惯性的属性是人认识的自然规律,理性证明认识正确;而惯性的定义是人对惯性的意义认定的主观描述,不一定就概括全面和揭示本质。实际上,长期以来人们已经发现惯性问题甚至有所诟病,但没人对惯性定义进行改造。惯性定义的惯性是不变的一种状态,而实际上惯性是可变化的,变化时当然不再有不变时的表现。“惯性是物体的固有属性”就包括了惯性的不变与变,而且涵盖了不同的运动形式。
    物体的运动状态变化,是物体上有了加速度,这时物体的运动一般指匀加速运动状态,运动可能是直线也可能是曲线。从表面上看,这时物体上的惯性似乎消失了,若如此违背了物体不管作何种运动,惯性始终存在的属性原则。说惯性定义有缺陷是缺少物体运动状态变化时的惯性描述,还因为定义局限于物体的匀速直线运动状态,解释物体匀速的圆周运动无能为力没有恰当的说法。
    物体的不同运动形式,主要是直线运动和曲线运动,曲线运动最常见的是圆周运动。物体不能自由地作圆周运动,要受到某种限制才能成行。说惯性就不应该局限于直线运动,应该包括曲线运动主要是匀速的圆周运动。为简便起见,这里的圆周运动主要说定轴转动。物体的定轴转动是物体中心有固定轴,物体只能绕固定轴转动,当然大多物体本身是圆轮形状。物体的匀速定轴转动,“匀速”指物体的速度大小不变但速度方向不断变化,速度方向变化也是物体运动状态变化即产生了加速度,也就是向心加速度。
    物体无外力维持运动状态不变的运动可叫做惯性运动。惯性运动包括匀速的直线或圆周运动。物体的匀速的圆周运动和定轴转动是惯性运动,但实践中没有匀速直线运动容易让人理解,就是转动物体受空气或定轴摩擦阻力使运动时间短暂(圆轮转动时间较长),其实人们也没看到长时间的匀速直线运动。人们认可直线运动是惯性运动,往往忽略圆周运动和定轴转动也是惯性运动。
    综上所述,本文给出新的惯性定义:“惯性是物体的固有属性,在物体不受力或合外力为零时,惯性保持物体的静止或匀速直线运动状态;物体发生直线或曲线的运动状态变化时,物体上产生惯性反抗或说惯性作用。”定义中的曲线是从一般意义上说的,实际上物体曲线运动包括各种圆锥曲线形式运动但主要应用在圆弧或圆周运动。
    如上说才算完善了惯性定义,既保住了惯性在物体上始终存在,又兼顾了物体的不同运动形式和状态。本文的惯性定义主张视教科书的惯性定义仅表现在运动的特定阶段。须要说明:这里说匀速的直线或圆周的惯性运动都是极限的或理想的状态,而地面上无动力物体的惯性运动要受阻力使运动状态发生变化直至静止。

    (四)惯性与牛顿三定律

    长期以来,人们似乎认为惯性仅与牛顿第一定律有关。然而,物体在运动状态不变和变化两种情况下,惯性始终存在,说明惯性不止与牛顿第一定律有关系。
    惯性与牛顿第一定律的表述相似。教科书上惯性的定义是:一切物体都有保持静止或匀速直线运动状态的性质,这种性质叫做惯性。牛顿第一定律阐述是:任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态,直到受到其它物体的作用力迫使它改变这种状态为止。
    牛顿第一定律也叫惯性定律,描述的是物体的惯性现象,并把这种惯性现象限定在没有外力作用时;当有外力作用改变物体原来的或静止或匀速直线运动状态时,就不属于第一定律描述的现象。牛顿第一定律以外情况,是物体受到外力作用运动状态变化后的情况,需要牛顿第二定律接着描述。
    牛顿第二定律表示力与运动的关系,其中还有另一种关系——外力与惯性力的关系。前面说过,物体受外力时,惯性反抗运动状态的改变转化为惯性力。惯性力始终陪伴外力,因外力的作用而形成,因外力的变化而变化。牛顿第二定律的表达式既是外力与运动的表达式,也是外力受惯性力反作用的表达式。从这个意义上说,惯性与第二定律的关系比惯性与第一定律的关系更复杂。如果说牛顿第一定律也叫做惯性定律,那么牛顿第二定律除叫做运动定律外,还可以叫做惯性力定律。
    惯性与牛顿第三定律的关系也密切,使物体运动状态改变的外力与惯性转化的惯性力之间正是一对作用力与反作用力的关系。人们总说惯性力找不到反作用力(从虚拟力上找当然找不到),却忘记了使物体有加速度的外力需要反作用力。使物体加速运动的施力物体,要受到反作用力,这个反作用力即惯性力,否则施力物体的力成单一的力孤掌难鸣,致使单独不配对的力不能存在。
    总之,惯性与牛顿三个定律都密切相关,它贯穿和联系三个定律,是牛顿三定律的理论基础。

    结束语
    自从伽利略、笛卡儿、牛顿等科学大家,提出并创立了惯性概念和理论,为牛顿三定律打下了理论基础,最终成就了牛顿力学。然而,我们应用力学时,总感到有一种说不清、叫不硬、绕不过的东西存在于惯性理论中。这不能不说是惯性理论还不完善,还有需要探究和解决的问题。应该指出,现在惯性理论中的问题对牛顿力学的应用影响不大,但有问题不解决总不是科学自身的态度和诉求。再者,学物理就涉及惯性,而惯性在力学中是个老大难问题,教师难教,学生难学,教师和学生都存在着难以释怀的疑问和困惑,最后大家被标准答案压制服抛弃疑问,结果不能不说存在未解问题的教学在损耗甚至磨灭青少年的探索欲望。

    2014年6月27日 于吉林松原
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    2.惯性大小即惯性作用

    物体的惯性,被认为是物体的一种无关作用的纯粹性质。然而惯性的事实说明,惯性有从保持变反抗的变化,即它能保持不受力物体的运动状态不变,又能在物体运动状态发生变化时产生作用使施力物体受到反抗。由于人们把惯性的含义固定为物体保持静止或匀速直线运动状态,所以惯性反抗不被人们接受,却造出一个惯性大小的概念。惯性大小是主张者的一种非术语的俗称,不表示惯性有作用,即说惯性大小不是力。
    人们似乎觉得惯性不恒定于保持静止或匀速直线运动状态,但还是有所顾忌地避开物体运动变化时有作用,推出描述上含糊其词的惯性大小概念。惯性大小的解释是,“惯性的大小表示物体运动状态改变的难易程度”。这句话一方面说明改变物体运动状态的难易程度是受到了阻抗,难易程度就表示受到阻抗的大小;另一方面说明这种改变要用力的,只有付出力的代价才能感受改变的难易程度。很明显,难易程度和阻抗是一个问题的两面,可回归惯性的大小。但人们不愿讲阻力或作用,只限于用不明确的难易程度表述,并把难易程度只联系物体的质量。
    人推拉物体时,都会感觉到大的物体用力大,小的物体用力小,从而产生了物体质量不同惯性有大有小粗浅的初步的认识。这种认识没把惯性大小与物体运动状态变化即加速度联系起来又偏狭片面,因为物体由静到动不是匀速而是有加速度的。由于大多接受非工程机械专业教育的人没学过惯性力概念,特别是课本或教辅中有一个虚假惯性力装神弄鬼,导致一些迷信虚假惯性力的人拼命反对真实的惯性力。反真实惯性力的人创造出惯性大小一词来作表面文章,惯性大小进一步解释:“一、惯性的大小表示运动状态改变的难易程度,而不是表示把物体从运动变为静止的难易程度。二、质量是惯性大小的量度,和其它因素完全无关。”第一种解释认为惯性大小联系难易程度,但“而不是表示把物体从运动变为静止的难易程度”就错了。物体的运动与静止是两种状态,运动状态改变就包括从运动到静止或从静止到运动;物体由运动变为静止的难易,也是运动状态改变的难易。第二种解释将难易程度的阻抗由物质质量单独承担,却忘记了此时的质量不是静止而在物体的运动状态变化过程中,质量上还附着加速度。
    教科书断言:物体的惯性大小是由质量惟一决定的,质量大的物体惯性大,质量小的物体惯性小。这个论断片面,经不住归谬推理:若惯性大小只与质量大小有关,则要有质量大者惯性大质量小者惯性小,不计加速度就会得出抛一块比子弹质量大石头的力,一定比发射子弹的力大的错误结论。比如地面上的1块砖与捆绑在一起的10块砖,在静止或匀速直线运动时没有惯性大小的比较问题,只有由静止变运动或由运动变静止时,才有惯性大小的比较。说明惯性大小要在物体运动状态改变时才能表现,而运动状态改变就是有了加速度,衡量惯性大小不能不考虑加速度的大小。如果1块砖的加速度比10块砖的加速度大10倍,显然在1块砖和10块砖上所用的外力相同,也就是改变两物体的运动状态的难易程度相同,从而反映1块砖与10块砖的惯性大小相同。你若使1块砖的加速度更大,就要用更大的力,这时1块砖比10块砖的惯性大小要更大。
    在一个光滑的平面上推一物体,若物体的惯性只是特定的性质而与作用无关,那么推物体的力就不成立。因为力总是成对出现并互相作用,不存在无反作用力的单方作用力。不承认惯性的作用,使外力没有反作用力,就等于否定了牛顿第三定律。两物体静止或匀速直线运动时,不能说质量大的惯性大,只有静止与运动的相互转变或运动速度大小变化时才能谈到惯性的大小。两物体惯性大小的比较,要看各用外力的大小:一、加速度一定,质量大的物体运动状态改变需要的力大,质量小的物体运动状态改变需要的力小;二、质量一定,加速度大的物体需要的力大,加速度小的物体需要的力小。第一论断是质量决定惯性的大小,第二论断是加速度决定惯性的大小,这两种决定均需要共同因素“一定”的条件。因此,一定的惯性大小,要有质量与加速度的此减彼增或此增彼减的对应变化,不是由质量单独说了算,而是由质量与加速度共同决定。
    惯性是如何转化为惯性力的,请看下面例子:许多人都有这样的经验,松动的锤头和锤柄在硬地面上蹾几下,锤头就能套紧在锤柄上。手拿锤柄与套在锤柄上的锤头同时向下运动,锤柄遇阻碍突然停止运动,锤头没锤柄那样的硬性阻碍因惯性还要向下运动;由于锤头从运动到停止要有很大的与运动方向相反的加速度,即使锤头上又产生与加速度方向相反跟原来运动方向相同的惯性力;这种方向指向地面的惯性力发生在锤头上,相当于别物体敲击在锤头上,从而使柄榫上锤头克服摩擦阻力并套紧在锤柄上。对于这个问题,人们的回答几乎众口一词,说是物体的惯性使锤头套紧在锤柄。这种回答不准确,是锤头产生的惯性力使锤头克服与锤柄的摩擦套紧在锤柄上。物体的惯性运动不用力来维持也没有对别物体的作用,只有在物体的惯性运动受阻时转变为惯性力才能起作用。
    惯性大小或许算作一种感性阶段的认识,说惯性大小表现外力作用物体的难易程度已经触及到惯性力了,但把难易程度换位到惯性产生作用时便拘泥成说不敢越雷池半步;乃至感觉到改变物体运动状态受到莫名阻碍,也不敢说是受到了惯性力:这都是学习缺陷教材又死搬教条造成的可怜结果。按教科书上惯性的定义,惯性与惯性的大小有联系犹如一条河但呈泾渭分明表现为两个概念。人们认为匀速直线运动是惯性的性质,这个性质难说有大小。惯性的性质不可以量度,惯性的大小可以量度。惯性大小既然与质量和加速度都有关系,也就是与牛顿第二定律有关系,因而惯性的大小决定于牛顿第二定律。

    2014年7月20日 于吉林松原
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    3.惯性力是真实的力

    本文认为:惯性力是真实的力,它是物体惯性造成的力;惯性力是受力加速运动的物体,给施力物体的反作用力。惯性力在受力作变速运动的物体自身上产生,并且随运动变化的停止而消失。惯性力的方向与加速度的方向相反,其大小等于物体的质量乘以加速度。力学界有一种虚拟惯性力或假想惯性力的说法,冲击并诋毁了真实的惯性力,严重扰乱了人们对动力学中力的认识。无论是把虚拟力叫惯性力还是把惯性力当虚拟力的认识和说法都是错误的。任何力都是实在的,虚拟力不是力等于什么也没有,哪有什么作用,没有物体受“什么也没有的作用”而运动。所以产生虚拟惯性力之说,是因为主张虚拟力的人对惯性运动不甚理解,也因为不正确的使用参考系。
    关键词:虚假惯性力,真实惯性力,力的性质,力的原理

    (一)惯性力的定义

    力学界通常认为:牛顿第一定律和第二定律所表现的物理规律适用于惯性系而不适用于非惯性系,在非惯性系中,为使牛顿运动定律仍然有效,常引入一个假想的力,用以解释物体在非惯性系中的运动。这个假想力因物体的惯性而引入所以称之为“惯性力”。因此人们认为惯性力不真实存在,也就顺势推出:惯性力是物体的惯性在非惯性系中的一种表现,并不反映物体间的相互作用,因而它不遵循牛顿第三定律,没有施力物体,也没有反作用力。
    或受上述认识和解释的影响,大多物理力学教材没有惯性力概念,个别高中教学辅导书和大学某些专业的《大学物理学》《理论力学》教科书中有惯性力概念,由于惯性力真假共存,各家对这个概念作定义和解释说法不一,大体上可归纳为下列三种:
    定义一:当物体加速时,惯性会使物体有保持原有运动状态的倾向,若是以该物体为坐标原点,看起来就仿佛有一股方向相反的力作用在该物体上,因此称之为惯性力。定义后解释说:因为惯性力实际上并不存在,实际存在的只有原本将该物体加速的力,因此惯性力又称为假想力或虚拟力。
    定义二:惯性力是非惯性系中物体所受到的一种力,它是由非惯性系本身的加速运动所引起的。随后解释说,惯性力只在非惯性系中有意义,它不同于物体间的相互作用,没有施力者,也没有反作用力。
    定义三:物体受力作用而改变运动状态时,物体的惯性反抗这种改变而对施力物体的反作用力,叫做惯性力。
    定义一中的惯性力是一个纯虚拟力,荒诞不经,最后还自我否定。定义二没说是假想力但说是物体所受的一种力也勉为其难,扯上非惯性系自找麻烦;解释说惯性力没有施力者没有反作用力,还是不理解真实的惯性力。定义三的定义合理,说的是惯性反抗的力,但没有真实力的明确肯定有点差强人意。
    本文认可定义三,但要加解释说惯性一个真实的力,它是施力物体受的反作用力,受力物体上产生的力;它使牛顿第三定律在物体运动状态改变时仍成立。

    (二)牛顿对惯性力的表述

    牛顿在创立牛顿力学时,并没有区分开惯性与惯性力概念。例如他在《自然哲学的数学原理》的“定义3”中给惯性力定义是:“物质固有的力,是一种起抵抗作用的力,它存在于每一物体当中,大小与该物体相当,并使之保持其现有的状态,或是静止,或是匀速直线运动。”今天看来,“物体固有的力”显然不对。物体固有的力只能是引力,而物体固有的属性是物体的惯性。“一种起抵抗作用的力”表示惯性力是对的。而“保持其现有的状态,或是静止,或是匀速直线运动”,说的是当今教科书定义的惯性,惯性是不靠任何抵抗力的保持的自动运动。
    牛顿给惯性力定义后解释说:“这个力总是正比于物体,它来自于物体的惯性,与之没有什么区别,在此按我们的想法来研究它。一个物体,由于物质的惯性,要改变其静止或运动的状态不是没有困难的。由此看来,这个固有的力可以用最恰当不过的名称,惯性或惯性力来称呼它。但是,物体只有当有其它力作用于它,或者要改变它的状态时,才会产生这种力,这种力的作用即可以看做是抵抗力,也可以看做推斥力;当物体维持现有状态,反抗外来力的时候,即表现为抵抗力;当物体不易于向外来力屈服,并要改变外来力的状态肘,即表现为推斥力。抵抗力通常属于静止物体,而推斥力通常属于运动物体。不过正如通常所说的那样,运动与静止只能作相对的区分,一般认为是静止的物体,并不总是真的静止。”
    牛顿的解释,在今天看来,有表达不当之处但大部分正确。牛顿最早提出了惯性力概念,并说这个力是抵抗力或推斥力,抵抗外力维持原有状态。牛顿表达不当表现在:“固有的力”说法不合适,惯性力不始终存在只在有加速度时产生;抵抗力“使之保持其现有的状态,或是静止,或是匀速直线运动”不正确,匀速直线运动不需要力维持也没有惯性力;“惯性或惯性力”说法在今天看来,把惯性与惯性力两个有联系且独立的概念混同,实在说惯性中包含着惯性反抗和惯性保持,但今天通常说的惯性,指物体保持静止或匀速直线运动状态,所以用惯性力时就不要用惯性。解释中“抵抗力”和“推斥力”的区分不妥当,物体由静止到运动或由运动到静止均有性质相同的反作用惯性反抗,所以还是把“抵抗力”和“推斥力”统称惯性力为好。
    许多人认为,惯性力是牛顿“为了弥补在非惯性参考系中物体的运动不满足牛顿运动定律而引入的假想力”,这话根本不对,牛顿时代没有参考系概念。牛顿认为的“物质固有的力”,其实说的是惯性,有问题的是他用惯性有力的一面涵盖了惯性没有力的一面。牛顿说的是真实的力而不是假想力或虚拟力。因此,虚拟的惯性力说法已经违背了牛顿的本意,更不应该把此赖说算到他的帐上。非惯性参考系不是自然存在物,它是借助于承载物体做人为假设产生的主客观一体的事物;它若不满足牛顿运动定律,是它的设置有问题(比如没考虑它的加速度),而不是牛顿定律不适应它的问题。牛顿定律建立在客观物体上,不是建立在虚拟事物上。这也是牛顿力学最为可贵之处,不像二十世纪有名的物理理论建立在虚拟事物上。
    牛顿是科学上首屈一指无人可比的科学巨匠,牛顿力学只是他贡献给人类的全部知识财富的一部分,他用牛顿三定律和万有引力定律为牛顿力学奠定基石并构建理论框架,继续砌筑和装修是当时及后来从事此门科学的建设者的工作,理论上构建完善的牛顿力学体系直到今天还没有彻底完成(牛顿力学还存在着一定的缺陷)。我们不能苛求前人一定给我们创建或遗留一个完美无缺的知识财物,其不完善之处正是前人给后人留下的创造空间,我们应该尊敬和感谢!

    (三)不应该加虚拟力的惯性现象

    火车车厢内光滑的茶桌上放一个小球,当火车启动加速时,在地面上的人看来,小球并没有运动,但是在火车上的人看来,小球沿着与火车运动方向相反的方向在运动,其加速度与火车的加速度大小相等,方向相反。对小球进行受力分析,发现小球只受到了重力和支持力的作用,并且这两个力在竖直方向上平衡。根据常识,没有外力作用的小球无论如何都不会自行运动起来,但是车上的人确实看见小球在运动,于是有人给这种现象加一个推动小球运动的虚拟力,并认为此现象与惯性有关,所以又叫做虚拟惯性力。
    小球上根本没有力的作用,它也没有运动,它看似运动是火车加速运动对比的相对运动。火车静止时小球静止在茶桌上,火车加速运动时,小球因惯性还要保持其原来的静止状态即相对于原来地面的某位置不动,由于小球与桌面没有摩擦,火车的运动不能带动小球与它一起运动,火车上的人看到小球向火车后方作加速运动,是两物体相对运动以运动物体为参照物产生的视觉效应。火车加速运动,车上的人看见小球也向后加速运动跟看见窗外一棵树也向后加速运动是相同的视觉效应。请问虚拟力主张者,要不要给那棵树也加一个虚拟力?虚拟力光给小球加不给树加是不是有失公允?
    上面的例子非但不能证明存在虚拟惯性力,反倒昭示物体惯性的“保持”特征,小球在保持原来相对地面的静止状态。小球没有运动而是火车运动,给加上虚拟力匪夷所思误入歧途。在牛顿力学中引入了虚拟惯性力,不能客观地解释火车上的人观察到的现象,还误导了人们对惯性和惯性力不同概念的区分和认识。虚拟力等于没有力,让它推动小球运动,可好比画饼充饥。虚拟力没有力的效果和实在作用,以虚拟力解释惯性现象不应该出现,不知谁率先首创出这个愚蠢透顶的理论。然而,就是这个错误的愚蠢的说教,蒙骗了太多的人,教导出许多喷子,给力学理论造成了极大的混乱。虚拟惯性力是树立惯性力招牌的虚无力,它与真实惯性力的关系形象比喻还比不上李鬼和李逵的关系,或算李鬼的鬼魂和李逵的关系。
    与上述例子相似的还有客车上人的动作:当客车煞车时,车外的人看车上站立的人有前倾动作。但前倾的人没有被人推一把的感觉,开始前倾时不知不觉,倒是人感觉了倾斜自动发出抵抗前倾的力,即用力抓握扶手不使身体继续倾倒。人在车上随车惯性运动时,人体自然保持与车相同的速度;当车的运动状态变化时,人的脚受摩擦力作用不发生移动,身体因关节活动不能与脚保持一致,脚以上的身体各部分还保持原来的运动状态,所以身体要发生向前倾倒的动作。这种倾倒人们司空见惯,但不理解人还保持原有的惯性运动并没有惯性力的作用。好好站立的人向前倾倒,是客车减速造成的现象,是观察者不自觉地把非惯性运动的客车当作参照物产生的人被无形的手推一下的一种假相。
    以上例子中,所说的“假想惯性力”是冒充给力的真虚拟力。由于那个虚假的惯性力先入为主,当真正的惯性力出现时,人们还以为是那个虚拟的惯性力。正是:“假作真时真亦假”。为避免再受错误信息诱惑,当我们置身某种环境发现物体无缘无故的运动了,不要轻易认为有力作用了,找不到力就给虚拟一个,而要考虑参照物运动给人的错觉。辨别的方法很简单,看运动物体对地面动不动,对地运动了才是真实的运动。

    (四)假惯性力参考系使用不当造成的问题

    有人说:牛顿力学是建立在惯性系的基础上。意思好像是说有惯性系才有牛顿力学,没有惯性系牛顿力学不能存在或不成立,这又是错误的。在牛顿力学体系众概念中,参考系后来居上甚至反客为主,是人们依赖数学进而倾向物理公理化的主观表现。牛顿力学建立时没有参考系概念,就说明没有参考系能够应用牛顿定律,因此应该说牛顿力学应用了惯性系不能说牛顿力学以惯性系为基础。
    有人这样论证牛顿第二定律在非惯性系中不成立:“相对地面以加速度a做直线运动的车厢,地板上放有质量为m的小球也有加速度a。设小球受外力为F’,相对车厢的加速度为a',以车厢为参考系,有加速度a和a',显然 F’=ma'不成立。因为若以地面为参考系,要加上车厢参考系的加速度a,得F’=m(a+a')=ma+ma'。再移项变形,得 F’+(-ma)=ma',-ma即为虚拟的惯性力。加上这个惯性力,牛顿第二定律才能在非惯性系中应用。”这个论证错误:小球上只有加速度a'。小球运动后不再受制于车厢的加速度a,因此无论以车厢还是以地面为参考系,都不存在加速度和a+a'。下段分析和纠正这个错误。
    车厢以加速度a运动,车厢内质量为m的自由小球也有加速度a,说明小球受静摩擦力f,按牛顿第二定律f=ma;小球另受一力F,相对车厢以加速度a'运动了,小球上有力F-f'(f'为动摩擦力),小球的力与运动关系为F-f'=F’=ma'。小球运动了没有静摩擦力,静摩擦力给予的加速度a便自动失去,只保留以加速度a'运动初始时原来的瞬时速度,小球在这个瞬时速度基础上只有加速度a',因此上段论证的F’=m(a+a')=ma+ma'不成立,也就没有那个移项所得的虚拟惯性力“-ma”。上面分析的小球运动没设什么为参考系。
    参考系是参考物体与坐标系的结合所形成的新事物。参考系是运动问题中物体相对参考物体有位置要求时才用参考系,受力运动没有位置要求的问题不用参考系。力学问题多用无具体参照的坐标系,人们误认为坐标系就是参考系,所以致使参考系与力学问题如影随形,好像没有参考系力学问题就不能解决了。本节举例中虚假惯性力的论证有错误,说明“牛顿定律在非惯性系中不成立”说法也是虚妄之谈。例子中没有小球运动多远的解答要求,不需要设置参考系。
    虚假惯性力的产生是乱用参考系造成的,可谓参考系的应用不当。像客车刹车车上人因为惯性而向前倾,是人与车从同一速度变为车慢人快两种不同速度造成的不同的运动现象。以地面为参考系人仍作惯性运动,以车为参考系人作加速运动是车减速运动的对照现象。两种运动看来都没错,但从运动的根源上找,会发现将运动物体选作参考系错了。这时若选车作参考系,要设作非惯性参考系,非惯性系本身一定有加速度。

    (五)真实惯性力的产生和存在

    公共汽车里人要倾倒一定没有惯性力吗?还不能肯定地回答。人若不抓扶手任由身体倾倒(撞到别物体前)并没有惯性力,因为人不由自主的倾倒是身体保持原来的惯性运动。当人有意识用力抓住扶手不使自己倾倒时,抓扶手的力相当于作用身体的外力阻止身体的惯性运动,而人身体上因运动状态变化使惯性转化为惯性力满足了外力有所作用,否则谈不到用力抓扶手。小汽车内前排座位上的人要系安全带,是预防车突然停止时人体的惯性动作而不是为了预防虚拟惯性力,当人体的惯性动作被安全带束缚时,人体上产生惯性力张紧安全带。
    假设客车的底板是光滑的,人站在车里,当汽车启动加速时,人体保持惯性运动要向车尾滑动,当人正巧坐到车后排座上时,身体会压紧座椅靠背,当然人坐在任一面向前方的座位身体也会压紧靠背,这种压紧是人体上惯性力的作用。惯性运动使人体靠向椅背,椅背阻止了人体的惯性运动给人体一个阻力;这个阻力改变了人体的匀速运动状态,平衡了人体产生的惯性力。汽车与人的例子说明,物体在有容纳空间的非惯性运动的物体内,若在运动方向上不受约束,物体仍作惯性运动;只有物体受约束被迫随运动状态变化物体一同运动时才产生惯性力,简便说物体上有加速度即产生真实的惯性力,不是把假想惯性力说成真的。
    再举另一个火车小球例子:火车顶棚上一细线系着某一质量的小球,火车静止或匀速直线运动时细线竖直下垂,当火车在平直轨道上加速前进时,细线偏离竖垂线向后倾斜一个角度。显然,只有一个水平方向的力作用在小球上才有此现象,这个力就是惯性力,它是真实的力不同于虚拟力,真惯性力与虚拟惯性力如真假孙悟空,二者都有惯性力名不可混为一谈。真实的惯性力使小球偏离原位置移动到新位置,这个位置是惯性力与细线张力的水平分力相等后的平衡位置。当火车又匀速直线运动了,小球失去惯性力,细线又竖直下垂了。细线是火车对小球的约束,使火车的加速度加到小球上,小球若不受火车约束就没有加速度,就像上节首段说的车内人看见小球向火车后方运动。
    如果火车的加速度a等于g,即火车的加速度等于物体自由落体时的加速度时,车厢时里的人们就会看到小球系线偏斜竖直方向45度。这时人起身站立,就会向后倾倒,只有身体向前倾斜45度才能站得住脚,当然脚与车厢地板要有足够的摩擦力。这时人体上的作用力变为重力与惯性力的合力,或者说水平与竖直加速度的合加速度等于根号2倍重力加速度,使人体超重,站立的人要有强烈的负重感,因为此时重力增加到原重力的1.41倍。
    惯性力不是自然天成,而是因变产生,变即运动状态的变化。惯性力不同于作用在接触点上的机械力,它在物体内各物质单元或说是粒子上均有分布,使用上当作集中的一个合力,与物体所受的重力相似;所不同的是重力由天体施加给物体不需要接触,惯性力是物体受力运动状态改变时自身发生的力只有接触作用,但真像加速度相反方向远处一个天体给予的引力。

    (六)惯性力使竖直运动的物体超重或失重

    学习物理,绕不过令人头痛的超重、失重、视重等概念和问题。由于普通物理学不承认有惯性力,以致超重和失重的解释都含糊不清语焉不详,让人稀里糊涂不懂装懂的接受。
    超重和失重的定义:物体对支持物的压力大于物体所受重力的现象叫超重;物体对支持物的压力小于物体所受重力的现象叫做失重。超重和失重的产生机理是什么?一般这样解释:当物体所在的系统有竖直向上的加速度时,物体的视重大于重力,物体处于超重状态;当物体所在的系统有竖直向下的加速度时,物体的视重小于重力,物体处于失重状态。
    上面提到的压力由什么力施压,不可能是一种无法探明其性质和来源的力吧。视重是什么意思?一般解释为:视重是指人在弹簧称上看到的读数。当人静止在地面上用弹簧称称物体时,看到的读数等于物体实际重力的值;人在竖直向上加速上升的电梯上称物体时,看到的读数大于地面静止时的读数;人在竖直向下加速下降的电梯上称物体时,看到的读数小于地面静止时的读数。这个可变化的视重究竟是怎么回事?视重是不是“看起来那么重,其实没那么重”的意思?“视重说”不再解释避而不谈。“视重”转来绕去还是物体不同状态时在弹簧称上的读数,读数不同只能是物体重力另外加一力或减一力,岂有他哉。
    超重和失重产生的机理很简单:质量为m的人站在电梯里,若电梯不动或匀速上下运动,人体的重力与站在地面上相同;若电梯以加速度a上升,人体上产生的惯性力ma,与重力同向,二力的合力大于重力,使人体超重;若电梯以加速度a下降,人体上产生的惯性力ma与重力方向相反,二力的合力小于重力,使人体失重;若电梯以加速度g向下加速运动时,人体上的惯性力与重力大小相等、方向相反,人体完全失重,即相当于作自由落体运动;若电梯以2g的加速度下降,电梯内的人不感到超重或失重,跟站在静止或匀速运动的电梯内的感觉一样,不过人站立的方向与原先相反,即头朝下站在电梯的内顶棚上。简单地说,超重就是重力加上同向的惯性力;失重就是重力加上反向的惯性力。
    惯性力真实有据,产生道理和力的行为并不复杂,在超重失重问题上更是容易理解,但要以此说服反对惯性力或虚拟惯性力者也不太容易。惯性力问题被各种不正确的说法给搞乱了,比如上面关于超重失重的“压力说”,是重力加一惯性力使压力增大,重力加一相反的惯性力使压力减小,是多么简单和明确,但反对惯性力者拒不接受,非东拉西扯搞一套不明不白似是而非的不同说法不可。

    (七)惯性力是受外力运动物体的反作用力不是别物体的施加的力

    把惯性力说成虚拟力的理由是:惯性力找不到施力物体和反作用力。这种认识无疑是以火车小球模型或客车刹车人前倾为根据。火车上光滑茶桌上的小球在火车加速时相对运动,是把火车当作静止的参照物看到的表面现象,若考虑火车在运动就能理解小球相对于地面没动。小球根本没有受力却硬给加一个虚拟的惯性力,而这个不存在的惯性力当然不能被人感受到和测量到,自然没有施力物体和反作用力了,除非你再虚拟一个施力物体成龙配套。
    力的作用要有两个物体--施力物体和受力物体。一个物体受外力,这个外力代表忽略掉的施力物体。力的作用总是相互配对,一物体有力作用于别物体,受作用物体上要产生反作用的配对力。在两作用物体静止状态下,施力物体和受力物体构成一个外力一个支持力,支持力是受作用物体的反作用;在两作用物体加速运动状态下,施力物体和受力物体有一个外力和一个惯性力,惯性力是受作用物体给施力物体的反作用。直线加速运动中,惯性力产生于受力物体本身,它要反作用外力物体。无论真假惯性力,说惯性力没有施力物体是对的,惯性力不是别物体施加的力,是运动变化物体自身产生的力。
    施力物体上的力怎么来的,显然不能说受力物体给的。地球给物体施加的重力为地球所固有,可以说物体上存在力或产生力是物质的固有属性。也许正因为如此,尽管我们知其然不知其所以然,但不影响力学的受力分析,所以也就没有人去探寻重力是谁交给地球的或地球如何获取的。惯性力发自受力物体本身,不需要谁充当施力物体,就像地球对别物体的引力发自地球一样。物体上为什么会产生惯性力,比地球为什么产生引力要好回答,因为此事由物体的惯性负责,是惯性反抗物体运动状态改变而转化为惯性力。惯性反抗只能使外力受到反作用力,不能把外力抵消,所以尽管有惯性反抗外力,但却是被动的回应不是主动的作为,因此惯性力不能使物体回到受外力前的静止或匀速直线运动态。
    设光滑平直轨道上有一受力F作加速运动的小车,对小车作受力分析,会发现小车运动方向上除力F没有别的力。按牛顿第三定律,力F一定要受到与其相等的反作用力,而小车上与力F相等的只有表示运动的ma。那么这个ma就一定有给力F物体以反作用力的能力和性质。接触力总是成双成对,没有反作用力的外力无法存在。有加速度运动的物体上若没有惯性力,则满足牛顿第二定律的施力物体就无法对外施力。正像我们用某大小的力提一桶水,若没有水的重力作用在手上,手对谁用力呢?若推小车施力物体不受惯性力,则这个物体没有反作用力。由于力不能单独存在,没有反作用力的推力就不能成立,又等于没有推力。
    虚拟的事物是不存在的事物,虚拟的惯性力根本不存在,谈施力物体和反作用力都无意义。人们似乎愿意把虚拟的惯性力当真的对待,总是抱怨虚拟惯性力没有反作用力,却忽视了使物体运动的外力因没有惯性力而真缺少反作用力,成为单独不配套的力。这又应了古语:“无为有处有还无”。

    (八)加速度是惯性力的标志

    速度是表示物体运动快慢的物理量;加速度是表示速度变化快慢的物理量。物体不受外力,永远保持静止状态或匀速直线运动状态。当物体上有外力时,可能使物体由静止变为运动,也可能使运动的物体变为静止,还可能使运动的速度变快或变慢。外力改变了物体的运动状态,使物体有了加速度。
    物体上有了加速度,是外力使物体产生加速度,而加速度又代表物体运动状态变化使物体保持匀速直线运动的惯性转化为惯性力。惯性是产生惯性力的物体的自身因素,说物体上有惯性力,就要说物体受外力改变运动状态时,物体的惯性反抗这种改变而表现出力的作用。这样说有些啰嗦,简便地说惯性力,只看加速度。物体有了加速度,惯性力也随之出现,由此易见加速度与惯性力如影随形联系紧密。既然加速度与惯性力二者同时产生、同时消失,那么就把加速度作为惯性力的标志好了。
    火车的光滑茶桌上,茶桌中间安装一个可转动的弹簧测力计,测力计另一端连接一小球,小球放置到茶桌面对车尾的一边。当火车启动加速时,小球向车尾方向运动并拉紧测力计,测力计上有示数。当火车匀速行驶时,小球回到原来位置,测力计上无示数。当火车刹车减速时,小球带着测力计转到茶桌的另一边,测力计上又有示数。这个例子是说明惯性力的方向恒与加速度的方向相反,以此判断惯性力的有无和惯性力的方向简单易行,且不论是直线运动的惯性力还是圆周运动的惯性离心力,尤其是判断复杂一点的科里奥利惯性力方向简便实用。
    物体的外力与惯性力大小相等、方向相反,知道了外力就找到了惯性力,但有时外力并不好找,比如使汽车和火车加速的外力等等。物体的加速度易测易感,无论单个物体还是非惯性参考系的运动,因此,在确定外力不方便时,宜用加速度判断惯性力。确定物体上有无加速度,根据物体运动状态是否变化。若物体对地面作匀速直线运动,则物体上没有加速度;若物体对地面作匀加速直线运动或曲线运动,则物体上有加速度。惯性力发生在有加速度的物体本身和被迫跟随其运动的其他物体上。
    火车上乘客相对地面的运动是实在运动简称实动;乘客看路基向后运动是虚幻运动简称虚动。虚动对应虚速度和虚加速度。本来虚动不是动,虚上谈虚更没有意义,但因虚拟惯性力的假戏真唱,不得已说虚动的虚速度和虚加速度。惯性力联系实加速度,虚加速度没有惯性力,在虚加速度上作假想力玩的是弄虚作假。确定惯性力要从实动中找实加速度,而不是找相对实运动的虚加速度。如客车刹车时站立的人前倾被以车为参考系看似的加速度,却是虚加速度。判断实加速度一定以地面为参考系,观察者在地面看运动的车里人相对地面作惯性运动还是非惯性运动。以加速度作为惯性力的标志,就要分清虚动和实动,避虚就实。

    (九)牛顿第二定律表达式的两种关系

    牛顿第二定律(也叫运动定律): 物体的加速度跟物体所受的合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。表达式为:F=ma 。
    物体受合外力的方向决定物体加速度的方向,二者方向相同。加速度与合外力成正比,比例式表达应为a∝F/m,通常写成F∝ma,并把成正比符号换成等号,于是便有表达式F=ma。在力与加速度的联系上,是恒力产生不变的加速度,变力产生变化的加速度,当力的作用消失,加速度也即消失,物体随后作匀速直线运动。物体在外力作用下运动状态发生变化,不仅此而已,里面还隐藏着尚未推广应用的物理意义。
    牛顿第二定律表达的是力与运动的规律,暗地里还隐藏着另一种关系——力与力的关系,即外力与惯性力的关系。物体受外力后运动的规律,反映的是事物的现象,应用这个“现象”解决一般问题足够用了,但不能单纯用之解决复杂的力学问题,比如大型工程机械设计计算不用惯性力难以完成。在力学计算需要惯性力时,这个惯性力的表达符号就是“运动”使用的ma。因此可以说,牛顿第二定律的本质是力与力的关系,即受外力运动物体上产生惯性力反抗外力的关系。从这个角度看问题,ma现象上表示运动,本质上代表新产生的力(惯性力)。受外力运动的物体上有惯性力与外力平衡,就可忽略物体的运动状态,就像在静止或匀速直线运动中处理力的问题一样。
    达朗贝尔原理中的惯性力,是把有约束反作用力的牛顿运动方程F+N=ma中把ma移项所得。这个原理把牛顿运动方程构造成力的平衡方程F+N-ma=0(F为外力,N为物体受到的约束反作用力),但仍认为是虚拟的惯性力。其实这个惯性力是真实的,达朗贝尔原理是在不自觉地应用惯性力,并没给惯性力真实的名分。而没有惯性力的物理力学可就惨了,虚假惯性力不能应用,真实惯性力又不承认,只好局限于解决简单的力学问题。不用惯性力只能在学生课本的习题范围内纸上谈兵,或许原设计课程目标就是低级的简单应用。加速运动问题必有惯性力,用惯性力使解决力学问题容易进行,能充分发挥牛顿第二定律的功用。
    充分发挥牛顿第二定律的作用,将其表达式中的ma理解为从表面现象看是“运动”,从力的相互作用的本质看是惯性力,让ma既可以表示“运动”,又可以表示惯性力,在利用惯性系解决力的问题时用“运动”,在利用非惯性系解决力的问题时用惯性力,不单使解决问题容易,还能把某些不可理喻的论断解释明白,何乐而不为。

    (十)揭示力的性质和建立力的原理

    力的定义有两种说法:一、力是物体对物体的作用;二、力是物体间的相互作用。力是物体对物体的作用,说明物体间的作用有因果关系,须由一方主动发起对另一方的作用,当然要有另一方的被动回应。力是物体间的相互作用,是从力总是成对且各指向对方上说的;这种力的成对有两物体都主动对对方用力的关系,也有一作用力和一反作用力的关系。力的两种定义,说明力有三种性质:主动性、被动性、相互性。
    力的主动性和被动性,在许多物理力学教材上不见提及,这应该是教材的缺陷。力不分主动和被动是一对糊涂力,比如只看到力相互作用,打人耳光与被脸打了手要等量看待而不分是非,可见不分谁主动谁被动不行。力的主动性和被动性相互依赖,与力的相互性结合起来,共同作为力的性质。这三种性质可谓力的意义性质,以区别性质力名称上的性质,该性质是力的名义性质。
    宇宙万物,小到基本粒子,大到恒星天体,无不存在着力,作用着力。因此,力应该是一个“大概念”,不单有力的过程,还要有力的来源和产生等内容。从应用力的实践中看,现有力的定义说明了力的作用过程,却产生了惯性力不符合力的定义问题。这本来说明现有力的定义有局限和不足,需要改进力的定义,解决惯性力不符合力的定义问题。许多年来,人们苦于惯性力的困扰,把某种运动现象给虚拟上力,并以此虚假力代替真实的惯性力,造成了许多麻烦。维护惯性力在力学中的地位,给惯性力一个名正言顺的名分,就要扩充力的概念,把力的来源或起因注入力概念中去,将力概念定义扩大成力的原理。
    本文提出两个论断(第一和第三原理),再加上原有力的定义,建立力的三个原理:原理一.物质中自然存在着力;原理二.物体对物体的作用和物体间的相互作用是力;原理三.物体在运动状态改变时产生力。第二原理,即力的定义,不再赘述。第一原理,指宇宙中的物质存在的万有引力、磁力、强作用力等基本力。它们是自然存在的,是物质的固有属性。第三原理,是物体在外力作用下或约束条件下运动状态改变时,物体的惯性反抗运动状态的改变而产生的力,即惯性力。惯性力产生于物体的运动状态变化时物体自身上,不是别物体施加的力。惯性力在力的分类中要归到性质力中去。若给三个原理具体化命名,第一原理可叫存在力原理;第二原理可叫做作用力原理;第三原理可叫做产生力原理。
    在保留原来力的定义的前提下加入新的内容,用力的原理描述力,对于建立完备的力学体系很有必要。将惯性力纳入力学原理中,是为惯性力的合理合法存在找一个理论依据。因为惯性力有好几种,除直线运动时的惯性力外,还有曲线运动的惯性离心力、科里奥利力和欧拉力等,这些活生生硬梆梆可感受可测量的力,是不可否定和抛弃的真实力。

    结束语
    惯性力是物理力学中最具争论的问题,争论和不同认识集中在两点:一是有无惯性力;二是惯性力是虚拟的还是真实的。人们所以对惯性力有不同的认识,是因为在校学习时不同体系的教材造成的影响终身的后果。中学大学教材中,只有工程机械的《理论力学》使用惯性力,其他专业用的如《物理学》或《普通物理学》没有惯性力或反对惯性力。没有惯性力的教材还算可以,反对惯性力教材错误严重。反对惯性力或说惯性力是虚拟力的教材或理论,还将继续并被学习者当真理使用,这是力学科学的悲哀。本文指明惯性力问题及修正意见,但对一问题得到解决不抱幻想,先觉者只能经常的呼吁和讲述,但愿这种呼吁和讲述能留在历史记忆中。
    2014年6月10日 于吉林松原
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    4.作用力和反作用力的新解释

    引文
    牛顿第三定律:两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在一条直线上。
    对于作用力和反作用力,如果把其中的任意一个力叫做作用力,那么另一个力就叫做反作用力
    作用力和反作用力具有如下性质:
    作用力和反作用力相互依存,它们互以对方为自己存在的前提;
    作用力和反作用力同时产生,同时变化,同时消失;
    作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上,各自产生效果,二力的效果不能相互抵消,不可求合力;
    作用力和反作用力的性质相同,即二者属于同种性质的力。
    注:引文内容引自物理教辅书。

    (一)作用力和反作用力的逻辑顺序

    力的定义有两个都正确的说法:力是物体对物体的作用;力是物体间的相互作用。前一种说法是从一物体施力于另一物体的意义上说的;后一种说法是从物体间存在作用与反作用的关系上说的。物体对物体的作用,是一方主动施力另一方被动受力,但受力方同时要产生对施力方的反作用力;物体间的相互作用,是前一种说法的不同表述且含义有所扩大,包括双方都主动对对方施力。
    在接触作用中,一物体对另一物体有力作用,另一物体一定要回报以反作用;没有这个反作用,原作用力就不能成立。这种力不单独存在,总是等大反向共线出现在两个物体上的力构成力的配对,两个配对的力即叫做作用力和反作用力。力的配对或配对力的意思是原本有一个力,要实现其作用物体自动地再配上一个力,使其成为一对力。这个配对的力是受力物体给予的,由受力物体自发形成。因此有:作用力和反作用力发生在两个物体上,二力大小相等、方向相反、作用在一条直线上。作用力和反作用力二力同时出现,尽管二者半斤八两分庭抗礼,但还是有逻辑顺序的,作用力在“先”反作用力在“后”。因此作用力是有主动性质,反作用力有被动性质。
    作用力和反作用力存在的问题在于这样表述:“我们把其中的任意一个力叫做作用力,那么另一个力就叫做反作用力”。这种教辅说法可谓任指作用力说。如此任指作用力,不分力由谁发起必然产生认识和使用上的混乱。某一受力问题中使用任指力说,就好像一个精神病者搬一物体时忽而说他搬物体忽而说物体搬他。在物理教材的力学中,有施力物体和受力物体概念,任指作用力说更有甚者,说施力物体与受力物体也可以任指,这等于把人推车说成车拉人。“施”与“受”的词义固定,不容颠倒。人与车的施受力关系中,即可说人施力于车,同时受到车的反作用力;不可以说车施力于人,车受人的反作用力。二物体之间的力构成作用力和反作用力,尽管二力同时发生且反向相等,但有主动与被动的前因后果关系。一定要把主动发出作用力的物体叫做施力物体,另一个接受施力物体的力同时又产生反作用力的叫做受力物体。
    作用力和反作用力在两物体上反向相等的关系,在力问题中仅是个基本的前提,主要是表现力成对出现,知其一必知其二。力的问题主要是研究受力物体,已知施力物体发出的力求受力物体运动或变形的情况。任指作用力说因果不分甚至本末倒置,丢弃了力问题求解的本来目的。那种任何一力都可指认为作用力另一个为反作用力的解释,好像力是凭空产生自然存在的,不由谁发起及谁对谁产生效果,此说法在力学问题中是一种糊涂说法起糊涂作用。任指作用力说适合诡辩,比如一个劳动者提一桶水,黑心管理者不承认劳动者出力,而说人给水桶的力是水桶重力的反作用。作用力和反作用力不分谁是主动作用谁是被动作用,指认反向时会得出荒唐的结论,如把某人被打耳光说成他用脸打了另一人的手。
    在应用力的实践中,施力物体和受力物体及作用力和反作用力的顺序上还是基本明确,这是人们遵从事理逻辑自发的认识。如人们都说马拉车没人说车推马,就是依据事理逻辑而不任指施力物体和受力物体;再如喷气式飞机和火箭使用反作用,都说是反冲运动,没人说是作用力运动。任指作用力应用中丝毫没有使问题简化的意义,倒制造麻烦和添乱,应该摈弃。正确的做法不费周张,把施力物体的具有主动意义的力定为作用力,把受力物体给施力物体的只有被动意义的力定为反作用力,就符合逻辑了,使理论和应用省去许多疑问和费解。

    (二)作用力和反作用力性质相同疑问的解释

    作用力和反作用力无论从理论上说还是从经验上说都容易理解,但在解释上还有一个给人以疑问的问题,即“作用力和反作用力属于同种性质的力”的说法。拿石头和桌面的作用力和反作用力来说,一块石头放在一个桌面上,石头受地球的作用而有重力,也就对桌面施以石头的重力;桌面给石头一个反作用力,这个反作用力或叫弹力或叫支持力,而弹力属于性质力,支持力属于效果力。显然石头与桌面的相互作用力不能叫做相同性质的力。二力的性质相同从哪说起呢?实际地说,作用力和反作用力同性质说没错,有疑问也没错,问题出自从哪里看这两个相互作用力。
    在力学上,通常把力分为性质力和效果力两大类:万有引力、重力、弹力、惯性力、静电力、磁力、核力等属性质力;压力、拉力、推力、阻力、向心力等属效果力。摩擦力既是性质力也算作效果力。性质力是表示力的属性和名义的一类力;效果力是表示力具体的作用方式和过程的一类力。不看力的作用效果仅从力的属性上命名的力是性质力,不看力的属性只看力的作用实效而命名的力是效果力。力总要有个名头,物体发出的力都是性质力;物体受力总要有效果,所以物体的具体作用都是效果力。力的效果一般总是联系作用的结果,而效果力并不代表力作用的最终结果。前面说桌面与石头互给接触面上的压力,属于效果力却说力的性质相同,这是从两个压力的名义性质相同上说的。
    两物体作用方式分接触作用和非接触作用,对应的力也叫做接触力和非接触力。重力、弹力、摩擦力及所有效果力属于接触作用力;万有引力、静电力、磁力等基本力属于非接触作用力。一般接触作用物体上有主动作用的力只有一个,分给几个受力物体等于一力分为几个力,若有多个力作用一物体可合成为一个合外力。非接触作用两物体各自主动对对方发力,多物体时每个物体对自身外的所有物体都给予力,而且力不因分给多物体而减少。接触力的作用在物体的点或面上,非接触力物体上每个物质单元或每一粒子都有力且能集合成一个集中力。非接触作用一方发力,不能使另一方产生反作用力,另一方也是主动发出力,双方因质量不相等以不相等的引力相互作用。接触力遵循牛顿第三定律,接触力的性质和因果关系在非接触力上不复存在,所以非接触力不遵循牛顿第三定律。
    我们在石头和桌面两物体作用与反作用的关系中,整体上看石头与桌面,石头对桌面有重力(严格说石头受地球重力可省略,直接说石头有重力也不会错认),桌面给石头以弹力;从石头和桌面的接触面上看,就不能说重力和弹力了,那里只有相互的压力。因此从力的名义上看,整体的石头和桌面的相互作用是不同性质的力;从局部的具体作用上看,却是一对都叫做压力的同性质力。也有人把石头给桌面的作用力叫压力,桌面给石头的反作用力叫支持力,这种说法是把整体的力与接触面的力交叉组合不合理,况且压力和支持力也不能说性质相同。在两物体的接触面上,有重力的石头给桌面施以压力,桌面同时给石头以压力,同为压力可说是力的相互作用性质相同。所以说,不管施力与受力物体上的力用什么名称,从两物体接触面上看相互作用力,是力的含义相同的一对同名力。
    指认性质力或效果力,不是说了这一类力就不能再说另一类力。一般说物体上有什么力要说性质力,说力的具体作用要说效果力。作用力和反作用力要分整体的与接触面上的,才好认识两物体上力的性质。整体上两物体的力不一定是同性质力,大多是不同名义的力;接触面上两物体的力一定是同名义的效果力,但不一定使两物体产生相同的效果。这样认识两物体作用力和反作用力,可化解作用力和反作用力同性质的疑问,对于正确认识和理解力的概念意义非常。

    (三)天体间相互的引力及圆周运动天体上引力和离心力不属于作用力和反作用力  

    引力由物质产生,物质的形状叫做物体,物质间存在着力也就是物体间存在着力。引力是物体上自然存在的,可算作物质的固有属性。两物体之间的引力是独立地对对方用力,不构成他对己用力己同样对他用力的对等因果关系。一物体的引力不因另一物体的引力存在而存在,但要通过对另一物体的作用而表现出来。
    物体上的引力大小与物体的质量有关,质量大的引力大,质量小的引力小,可说是质量与引力的规律。这是一个很简单的道理,但让人们接受却不容易。两物体相互间的引力是各自独立作用于对方,与对方作用自己没有因果关系。比如地球与月球的相互引力,就像一个大人和一个小孩腰上各栓一根绳子,绳端交给对方手中,两人各用力拉对方。两物体的作用与反作用的关系,就像一人用力拖一个无行动能力的人。作用力与反作用力的关系限于接触物体,非接触物体不遵从牛顿第三定律,因而说两天体各自发出的万有引力是作用力和反作用力的关系是错误的。
    两天体的万有引力是作用力和反作用力的说法是牛顿力学的主张,所以当仁不让地出现在大学中学的教学材料中。除两天体间的相互引力不属于作用力和反作用力外,行星绕恒星转动产生的惯性离心力与受恒星的引力基本平衡也不属于作用力和反作用力,因为惯性离心力只能作用在行星自身上不能反作用到发出引力恒星上;这种发生在作圆周运动的物体自身上的力,等效于力方向上遥远处有一天体发出不变的引力作用于该物体。在恒星行星系统中,两天体的引力大小不同,而运行系统还能长久稳定,是行星上除受引力外还有自身产生的惯性离心力,是引力与惯性离心力构成一对平衡力维持行星运转。许多学过物理的人,并不知道以质量乘向心加速度的实质不是向心力而是惯性离心力,天体圆周运动的向心力可说是万有引力。行星的运动不是向心力所造成,是行星物质从原始星云时就绕构成恒星系的星云核心转动的持续运动。
    由于万有引力不是作用力与反作用力的关系,所以万有引力定律的表达式,只能用于计算大物体对小物体的引力或两物体质量相等时各自的引力,不可用于计算小物体对大物体的引力。例如,用万有引力公式计算地球与月球间的引力,计算所得是地球对月球的引力,不等于月球对地球的引力。若计算小天体对大天体的引力,可先计算大天体对小天体的引力,然后用大小天体的质量比换算。近来有人用万有引力定律计算太阳对月球的引力和地球对月球的引力,发现太阳对月球的引力比地球对月球的引力大二倍多,而月球不被太阳吸走,感到迷茫不解。这又是没有惯性力概念造成的不得其解的简单问题,你计算太阳对月球的引力时,再计算月球绕太阳运动的惯性离心力,同理计算地球对月球的引力也计算月球绕地球运动的惯性离心力,会发现两者均是平衡的,引力被惯性离心力抵消了,因而任太阳比地球大多少倍的引力都起不到比地球更能吸引月球的作用。
    两天体间各自对对方发出的引力,因质量不同而不相等。引力大小除与两天体的质量有关还与两天体距离有关,距离近引力大距离远引力小,每个天体的引力大小都随距离变化而非线性变化。两质量不同的天体,在两天体间距上要有一点引力平衡,这点一定距大质量天体距离远,距小质量天体距离近。万有引力,是两个基本上不相等的作用力各自独立作用于对方,看作力发自两天体的质心上,方向在质心连线上指向自身,是两个不一定相等的力相互作用。接触力的作用力与反作用力是一对相等的不变的力,二者方向均指向对方、接触点可在物体任何地方。作用力和反作用力跟万有引力的相互作用机理截然不同,因而二者不可混淆同论。
    作用力和反作用力定律创立,使人们认识到物体间的作用是相互的。万有引力定律的创立,使人们认识到任何物体间都存在引力。然而把这两个定律结合起来就有问题了,人们的认识和解释要有不妥当之处。本文就是针对人们应用作用与反作用定律时产生的问题,对其作出新的解释。新解释对天体的作用力和反作用力的论断是:两天体间相互作用是二作用力关系,不存在作用力和反作用力的关系;天体上平衡的引力和惯性离心力属于二力平衡,也不是作用力和反作用力关系;作用力与反作用定律,不能统辖总管所有的力,仅适用于接触力,不适用于非接触力。

    2014年8月21日 于吉林松原
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    5.向心力和离心力的是与非

    本文以离心力作为惯性离心力的简称。本文将匀速圆周运动及天体椭圆轨迹运动均简称“圆周运动”。本文观点归纳如下几点:(1)向心力不是向心加速度的原因,即向心力不产生向心加速度;(2)圆形约束物使运动物体产生向心加速度;(3)接触作用的向心力是单纯的支持力,不是某力的分力或某几个力的合力;(4)物体作圆周运动产生离心力,并且是真实的力;(5)离心力属于主动力,向心力在接触作用中是被动力;(6)离心力和向心力在接触作用中有作用力与反作用力的关系,非接触作用没有作用力与反作用力的关系。
    关键词:圆形约束物,圆形约束条件,离心运动定义

    (一)主动力和被动力

    两物体相互作用有主动和被动的关系,大多情况是一方主动发力,另一方受力同时作被动回应,较少情况像两个人摔跤那样都主动对对方用力。锤子敲钉子,是锤子主动作用于钉子,而不是它们同时运动向一起撞击。物体间的相互作用分谁主动和谁被动,对应的力也就叫做主动力和被动力。由一方施力另一方受力同时又给施力方以反作用力,双方关系是主动力和被动力关系,比如人推车;双方都是主动力,比如双方共同用力如拔河,可谓二主动力关系。主动力和被动力跟作用力和反作用力性质近似说法不同,二者都是相互依存缺一不可。其中主动力和被动力的区别在于是动力还是阻力,主动力具有动力作用,被动力具有阻力作用。物体匀速圆周运动产生的惯性力是主动力;匀加速或匀减速直线运动的惯性力是被动力。
    由于力学大多研究受力问题,一般不研究主动力产生的起根发由,所以也就把主动力当作物体上自主发生的力。能使别物体的运动变化的力都是主动力。如地面上的石头给地面的力是主动力,地面给石头的力是被动力;马拉车,马的力是主动力,车给马的反作用力是被动力。手提一桶水,水桶上有重力,手上还有一个上提的力(人力),这里没有被动力,有两个主动力。如何判定物体上有主动力和被动力或两主动力,要看主动力和被动力各是什么力:重力、静电力、磁力等性质力,人力、畜力等生物力,水力、风力等自然力,电动机、热机动力、复位功能的弹力等机械力都属于主动力;被动力是物体受到主动力作用而产生的对施力物体的反作用力,如各种约束作用的支持力、滑动摩擦力、非动力性的静摩擦力等。
    作用力和反作用力概念反映力相互作用的对等关系,而主动力和被动力的概念反映力相互作用的因果关系。一般教辅书中没有主动力和被动力的概念,因而在教学上常发生逻辑混乱。作用力和反作用力规律反映力不能单独存在,有力就有相互作用,但不能说有这个规律就不管力由哪个物体发起。以正反方说事,很明显作用力是正的一方,反作用力是反的一方。这就应该把主动发起的一方叫作用力,被动回应的一方叫做反作用力。主动力和被动力名义的字面上就反映逻辑关系,应用上不易弄混。作用力和反作用力应用上就要注意,不可把两物体整体上相互作用的两个力任意指一个为作用力剩下一个叫反作用力;如有人强辩硬说任指作用力也不要在意,因为此主张者正处于学习力的初级阶段还是懵懂。
    物体作匀加速直线运动,外力是主动力,物体上产生惯性力是被动力;外力和惯性力同时也是作用力和反作用力,外力代表施力物体,惯性力代表受力物体。物体作匀速圆周运动,物体上有离心力和向心力二个力,离心力是主动力,向心力是被动力,二力同时也是作用力和反作用力。离心力的施力物体是圆周运动物体本身,离心力的受力物体是向心力代表的物体。离心力是惯性力的一种,为作圆周运动物体自发产生,它有动力性质,因为有它才有向心力。
    (二)、向心力问题

    (1)向心力有关推论的错误

    向心力定义:向心力是作圆周运动的物体,所受到的沿半径指向圆心的外力。物理教科书上关于向心力的推论是:(1)向心力产生向心加速度,只改变速度的方向不改变速度的大小;(2)向心力不是确定性质的某种类型的力,是效果力;(3)向心力可以是几个力的合力,可以是某个力的分力。这是现在普遍应用的理论,向心力定义中的“外力”概念用在万有引力作用的天体还勉强为之,用在接触力物体圆周运动上冒名虚为。三个推论都是错误的。
    有人说:“做圆周运动的物体,速度方向时刻要改变,为了改变物体速度的方向 需要一定大小的力,而向心力的大小恰好就等于所需要的力,因而它没有‘余力’把物体拉向圆心。”这种物体不在向心力方向上运动和向心力改变物体速度方向的解释,没有任何事实根据,指望向心力做事它力不从心。物体作圆周运动,你说的需要一定大小的力能恰好改变速度方向,又不使物体向中心移动,假设有,那你就要说明这个力为什么转动由谁发起。向心力要不断地改变速度的方向,这个力就是一个匀速转动的力,它不能产生在作圆周运动物体本身上是个外来力,就要有此力的施力物体。如此说来,向心力物体上还要附带一个转动的施力物体,要视而不见除非闭目塞听;而且这个施力物体要作匀速转动,它除给圆周运动物体以向心力外本身是不是也要有向心力?
    在许多教辅书上,都说向心力“不是具有确定性质的某种类型的力,它可以是某种性质的一个力”。某种性质的力充当向心力,带电粒子在磁场中运动产生的洛仑兹力与单独作用的向心力相吻合,但它有特殊要求,必须带电粒子垂直磁感线的方向射入匀强磁场,这就不是自然的性质力而靠人工装备上试验产生的力,而且带电粒子不能算作物体,因此洛仑兹力作宏观事物的向心力不可以。充当向心力的性质力只有万有引力,但引力不能使物体作圆周运动,只能维持已有的天体圆周运动。行星受到的引力若用引力场强解释,可说场强就像图画太阳向四周辐射光芒一样布满了连续无间隔的“力”,使行星在运动路线上随处有引力伺候。引力不是使行星绕恒星作圆周运动的原因,因此引力作为向心力与现有的向心力定义并不符合,以现有向心力的定义和解释为准可说引力是伪向心力。
    匀加速直线运动和匀速圆周运动都有加速度,却是两种不同类型的加速度。匀加速直线运动的加速度大小和方向都不改变,而匀速圆周运动的加速度大小不变方向不断变化。物体在匀加速直线运动中,牛顿第二定律表征外力与加速度的关系,不为零的合力与加速度在一线上,是外力使物体作匀加速运动或匀减速运动。物体在匀速圆周运动中,向心力与向心加速度也在一条直线上,但物体不在向心力和向心加速度方向运动,所以向心加速度不是向心力所产生,它是物体受约束被限制走圆弧路线使速度方向不断变化而产生。因此,直线运动的力与加速度和圆周运动的力与加速度有不同的情况和性质,并且后一种情况比前一种情况复杂得多,硬把它们等价看待,不能不说是违背和歪曲了物理的真实。

    (2)根本不存在某力分力和某些分力合成的向心力

    在现行圆周运动理论中,如果说真实的惯性力被当作虚拟力是一种误解和无奈,那么向心力与离心力的理解却是南辕北辙。为什么圆周运动理论产生的问题极其严重却没有解决,应该是牛顿力学创立时就存在的且传承至今的认识误区及人们习惯于照搬已有的结论所造成。有的认识虽有变通,但却是不求甚解得过且过的搪塞敷衍。向心力理论者又推出 “向心力或是某个力的分力,还可以是几个不同性质的力沿着半径指向圆心的合外力。”这段话的说法同样不符合事实,因为包括说者在内谁都找不到能使物体作圆周运动某个力的分力或几个不同性质力的合外力。
    说某性质力的分力构成向心力,可能是根据某大学课本上一幅图:地球北半球上某处有一物体,物体上有指向偏离地心的重力,有垂直指向地轴的向心力,重力与向心力之间是指向地心的是引力,解释图例将那个虚拟的向心力和重力当作引力的分力。地球对物体的引力竟然能分解向心力和重力两个分力,实在是随心所欲胡乱设置,连一力分解为分力后力的性质必须相同的原则都不顾。实情是那个物体上并不存在所谓的向心力,有的是指向地心的引力与背离地轴的离心力,物体上的离心力与引力按矢量合成构成重力,离心力和引力都是分力。说到重力是合力,也是说明为止,因为离心力极小,一般是忽略的,便直接把引力当作重力了。找不到能分解向心力的某种力,还是老老实实承认没有为好,犯不着为一个宏观的可见的普通事物滑进不可知论泥淖。
    “向心力是匀速圆周运动物体所受的合外力”,这种说法也是一个错误判断。本来,物体作圆周运动找一个起因的向心力难以做到,还要找几个力形成合力作向心力更难以想象了,所以人们光说有这样的力,却举例不出演示不了。人们墨守成规照本宣科地说向心力是合外力,是应用向心力时不需要证明它的来源和构成,只涉及它的大小和它产生什么样的结果,至于它是不是合力及哪几个力合成的与要解决的力学问题无关,所以能大话在前说啥是啥。如有人说,请您把这个合外力的构成分力指出来给大家看看,不知向心力是合外力说的维护者该作怎样的敷衍塞责,也许他们会说:现在找不到不等于就没有,是因为科学还不够发达,将来一定能找到。
    向心力是有的,但它不能使物体作圆周运动。从用力取代施力物体和受力物体的抽象意义上说,向心力能维持物体作圆周运动,是被动的支持力。实际的有代表性的向心力如以下的力:手持绳系物体绕圆周运动的向心力是手对绳的拉力,它抵抗物体上向外挣脱的力;轨道车辆转弯时的向心力是轨道内侧对车轮缘的挤压力,它保证车轮按弯道路线行驶;汽车作圆周运动或转弯时的向心力是地面对轮胎的摩擦力,它阻碍物体向弯道外滑动。凡圆周运动的物体,总有向圆周外侧偏离的趋势,向心力能起到阻止这种运动趋势的作用,因此说向心力维持物体作圆周运动,但不能说是主动的力;物体上有向圆周外运动趋势是物体产生了离心作用力,向心力是平衡离心力的反作用力,它在接触作用中总是被动的力。
    有的教学材料上用一个图表示圆锥摆模型:一竖直转轴的上端固定一绳,绳另一端连接一小球。转轴转动带动绳和小球一起作圆周运动,绳与转轴有一张角;画小球的受力图,小球上有竖直向下的重力,有垂直转轴的向心力,还有斜向上的张力。这个受力图乍看好象向心力是张力和重力的合力,很容易发现这个受力图是错误的,因为图上的三个力不能使小球处于平衡状态。小球上不平衡的三个力只能使小球向转轴运动而不能使绳出现张角,只有离心力才能使小球远离转轴并且出现绳的张角。增加转轴转速,离心力增大使绳的张力增大。恰恰是转动模型上小球上的重力、离心力和绳的张力可保持小球在圆周径向受力平衡。这个模型非但不能证明存在使物体与转轴系统转动的向心力,反倒证明了模型成立的条件是与转轴垂直的离心力。

    (3)向心力和向心加速度的关系不符合牛顿第二定律的力与运动关系

    我们熟知的牛顿第二定律这样表述:物体的加速度和物体所受的合外力成正比,跟物体的质量成反比。牛顿第二定律一直用来表现力与运动的关系,这个运动是有加速度的运动。定律虽然没有指定物体作何种类型运动,但确是研究受力后物体运动的快慢变化而得出的论断,所以还是用在匀变速直线运动上建功立业,用在曲线运动上无功受禄。因此有必要对圆周运动作深入细致的研究,澄清和理顺这种力与加速度的关系。
    圆周运动物体不在向心加速度方向上运动,所以说向心力和向心加速度关系不符合牛顿第二定律的力与运动关系。在物体受力运动的力学问题中,人们普遍应用的是牛顿第二定律的力与运动关系,这种关系表现为力与运动方向固定在一条线上。显然,这种直线运动的力与运动的关系用在圆周运动中是不合适的。按力与运动方向固定在一条线上,圆周运动的向心力与运动方向垂直的关系是不同的形式,必有自身独特的性质和规律,随意地模仿照搬直线运动的力与运动的关系罔顾事实张冠李戴,这种错误的理论不应该继续下去了。物体作匀加速直线运动,始终靠外力持续作用且力与加速度一线。物体作圆周运动包括自身转动,始终有向心加速度存在,这个加速度来自物体速度方向不断变化而不来自于向心力,因为向心力不在加速度方向上作直线运动不能产生加速度。
    研究表明,牛顿第二定律表达式有两种意义:一种是力与运动的关系;另一种是力与惯性力的关系。惯性力是物体运动状态被改变自身产生的一类力:一般直线运动的就叫惯性力;包括圆周运动的曲线运动的惯性力叫惯性离心力;朝向或背离转动中心作匀速运动物体的惯性力叫科里奥利力。简言之,物体上有加速度就有与加速度方向相反的惯性力。圆周运动用牛顿第二定律表达式,用的是离心力与支持力的关系,向心力表达式mv^2/R实质是离心力的表达式,但人们不清楚,还是按力与运动的关系来理解,完全忽略了向心力与向心加速度虽同方向但物体不在这个方向上运动的事实差异。这样把直线运动的外力与圆周运动的向心力等价对待根本不合理,因为圆周运动是物体本来的或某种条件下的运动不因向心力而运动。
    有人问:你说向心力产生向心加速度是错误的及圆周运动的力与加速度不符合牛顿第二定律,那为什么牛顿第二定律的表达式在圆周运动中依然适用?回答,所以适用是歪打正着地利用了牛顿第二定律的力与惯性力的关系。这时的F=ma公式已不是通常应用的“运动”意义,而是体现了力与惯性力的作用力与反作用力的本质,所以看似应用第二定律实际是不自觉的利用惯性离心力与支持力的二力方程。人造地球卫星运行的第一宇宙速度的推导,即利用引力GMm/R^2等于离心力mv^2/R的二力平衡方程。一定有人说那个力是向心力,告诉你错了。很简单的道理,引力指向地心向心力也指向地心,二者合力更大了,卫星只能坠落地球不能作环绕地球的圆周运动。
    牛顿第二定律的外力与惯性力的关系,其创始人牛顿也没发现。1743年达朗贝尔把牛顿第二定律的ma作为虚拟力移到等号左边,把符号等式变为一端等于零的力平衡方程形式,产生了把第二定律的“运动”当作惯性力使用的达朗贝尔原理。这种将动力学问题转化为静力学问题来解决的方法被称为“动静法”,只见于《理论力学》或《工程力学》的教材中,所以知之者是少数人。达朗贝尔原理使解决动力学问题简捷方便,它只是一种形式化的处理问题方法,尽管作了定律表现的改良却仍囿于虚拟力的成见,没有从本质上认定惯性力是真实的力。

    (三)圆形约束物产生向心加速度和离心力

    速度的变化叫做加速度。速度的变化有三种情况:一是速度的方向不变而速度的大小发生变化;二是速度的大小不变而方向不断变化;三是速度的大小和方向都发生变化。物体作匀加速直线运动是第一种情况;物体匀速圆周运动是第二种情况;第三种情况是物体作变速圆周运动。第三种情况大多发生在运转机械的启动和停机阶段或发生在按椭圆轨道运行的天体上。作圆周运动的物体因速度方向不断变化而产生向心加速度,这个速度方向不断变化由某种圆形约束物造成,也就是说物体在圆形约束条件下运动产生向心加速度,根本没有什么向心力使物体产生向心加速度的逻辑和事实。
    圆形约束物是迫使物体沿圆形路线运动的物体,各种圆形及曲线的物体都能产生圆形约束,也可谓圆形约束条件。圆形约束物由全部或部分形成圆形的物体或能构成圆周轨迹的机构组成:可以是一段弯曲轨道或转弯公路;也可以是连接物体绕定轴转动的绳子或刚性杆;还可以是一段凸凹起伏的公路路面等等。物体在圆形约束下运动使速度方向不断改变,即产生向心加速度和惯性反抗的离心力。离心力在运动状态变化的物体上自发产生,听此话者不要觉得耸人听闻而大惊小怪,你想想,引力、磁力、静电力、弹力、摩擦力等哪个不是物体上自发产生的?圆周运动物体上产生离心力真实自然,说离心力是虚拟力大谬不堪。离心力与向心力的因果关系:圆形约束物改变了物体的匀速直线运动状态,迫使物体按约束的形状作匀速圆周运动而产生向心加速度,物体的惯性反抗这种改变,便在物体上产生惯性离心力,同时在约束物上产生维持物体作圆周运动的向心力。
    列车在弯道上行驶,列车的牵引力必然指向弯道的瞬时切线方向以保证行驶,牵引力不起圆周运动的作用,是弯道的圆形约束迫使列车走圆弧路线运动,也就是列车作圆周运动取决于弯曲的铁轨。列车在弯道上行驶产生背离圆心的离心力指向弯道外,此力使车轮轮缘从轨道内侧向外压紧轨道,而轨道内侧给轮缘一个反作用力,由于这个反作用力指向圆弧的物外中心也可说是向心力。此向心力是一个被动力,没有主动的作用性质,它因离心力所引起,跟桌面给其上的石头以反作用力的道理一样。把列车所以走弯道说成因为有向心力作用在车轮缘上使列车作曲线运动,倒符合“向心力使物体作圆周运动”的说法,但却是伪造规律的虚言假话。
    物体作圆周运动产生主动的离心力作用效果,再以汽车通过凸凹(看作半圆)路面为例:汽车在凸形路面最高点(非最高点用竖直分力)时,汽车上的受力有本身重力、离心力和路面支持力,重力指向圆弧中心,离心力和支持力同向并与重力方向相反,使汽车失重,汽车对路面的压力减小甚至为零。汽车在凹形路面最低点时,汽车上的受力仍为重力、离心力和路面支持力,这时汽车上的重力与离心力方向相同,使汽车超重,路面要受到很大的压力。凸形路面运动的物体上指向圆心的力是重力的分力;凹形路面运动的的物体指向圆心的力是路面支持力的分力。这两种情况都找不到教学理论意义的向心力,尤其没有什么合外力使物体作圆弧运动,事实是凸凹圆弧的地形使汽车走竖直圆弧路线。
    行星绕恒星的圆周(近似的或看作)运动,可以用万有引力充当向心力,这个向心力也不是行星运动的驱动力。天体的万有引力看作发自恒星的质心,作用在圆周运动的行星上,与洛仑兹力在带电粒子上自发的向心力指向运动中心的作用方式不同。行星上的向心力不能驱使行星作圆周运动,只有将行星延直线吸引过来的趋势,这个直线靠近趋势所以不成为相应的运动,是因为行星诞生以来一直作的圆周运动而且是一种不须要驱动力的惯性运动,行星上产生相对自己的向外的离心力与引力平衡,保证行星不能像外来流星一样按抛物线形式落向恒星。行星靠惯性按原来形成的轨道绕恒星运动,缘于原来形成恒星系的星云物质的转动,行星产生后还保持这种转动,当然在漫长的时间和复杂的行星形成过程中,这种转动是有变化的。
    圆周运动的物体给圆形约束物体的力是离心力,受离心力作用的圆形约束物给运动物体的力才是向心力,这个起支持效果的向心力因离心力而产生。作圆周运动的物体的约束条件上并没有无数个向心力等待作用于物体,就像地面上没有无数个支持力等待作用于有重力的物体一样。物体在有圆形约束条件下运动,约束物不能产生主动力,只有物体上产生离心力施力于约束物,约束物同时给物体以反作用力,成为向心力。这两个力大小相等方向相反作用在物体与圆心的半径延长线上,与物体的运动速度方向垂直,既不推动也不阻碍物体的圆周运动。

    (四)惯性离心力的产生和作用
    (1)离心力概念的由来

    如果查阅一下关于惯性离心力的材料,就会发现离心力问题比惯性力问题复杂得多,可谓人多嘴杂,但总体上说的还是“不存在的力”或虚拟力。各种说法如下:“离心力是不存在的力,是人们假想出来的一种力”;“当物体作圆周运动时,类似于有一股力作用在离心方向,因此称为离心力”;“离心力是长期以来被人们误解而产生的一种假想力,它无法找出施力物体,因而背离了牛顿第三定律”;“离心力并不是真实存在的力,而是物体做圆周运动时由于惯性有向外运动的趋势,看上去像好似有一个力作用,就叫做离心力”;“离心力就是物体作圆周运动而产生向心力的反作用力”。
    上述说法可能已有百余年历史,也许要流传到永远。人们对经典理论的认识,一方面认为传统学科中没有问题,另一方面意识到有问题但进行研究无疑是费力不讨好的事,能使用就将就着用吧。以致于现代力学传到中国一百多年其错误论断一如既往以讹传讹。也可能有人这样认为:历史上有些当时认为正确的但后来证明是错误的论断现在不还在使用吗,如电流的方向、凯库勒的苯环结构等。这都是小的问题不须更正,并且有文字说明指出真相。向心力问题可不是一个小问题,它的影响作用和错误程度,用亚里斯多德的“重物先落地”的错误相比,则是小巫见大巫。
    离心力概念在牛顿力学创建之初就出现。有材料表明,牛顿同时代的另一位科学巨匠惠更斯最先提出了离心力定律。他在1673年发表的《摆钟论》一书上关于“离心力”的基本命题指出:一个作圆周运动的物体具有飞离中心的倾向,它向中心施加的离心力与速度的平方成正比,与运动半径成反比。也有材料表明惠更斯的原话这样说:“(1)同一物体如果以相同的速度在不同的圆周上运动,离心力与直径成反比,圆越小,离心力越大。(2)同一物体如果以不同的速度在相同的圆周上运动,离心力与速度的平方成正比。”后一种说法,虽然把半径说成直径有失误,但不管怎样,确已明白无误地表示:物体作匀速圆周运动具有离心力,而不是“需要”向心力。
    “一个作圆周运动的物体具有飞离中心的倾向,它向中心施加的离心力与速度的平方成正比,与运动半径成反比。”这话不管是不是惠更斯的原话,但应该是表达了他的本意,因为这是他研究钟摆得出的论断,用的是圆的半径,上例的“直径说”可能是笔误。这个论断可称为离心力定律。离心力的表达式与向心力的表达式形式相同,即离心力等于质量乘角速度的平方再乘半径或质量乘线速度的平方除半径。离心力的方向与向心加速度的方向相反。离心力是真实存在的力,圆周运动物体上自发产生离心力,根源于物体的惯性。可能是牛顿的《自然哲学的数学原理》的力学理论力量太强大,惠更斯的离心力定律被埋没了,于是有了投靠牛顿第二定律的向心力公式。由于牛顿第二定律的表达式既表现力与运动关系又体现力与惯性力的平衡方程,所以使这个表达式在圆周运动中貌似力与运动关系继续运用。
    在牛顿早期的未发表的著作中没有使用向心力也是使用离心力术语的。牛顿在 1664—1665 年写的未发表的记事手稿中,讨论了圆周运动的动力学,引进了“离心力”的概念,讨论了决定“离心力”大小的因素,并结合开普勒第三定律得出了离心力与半径平方成反比的规律。但在1684 年写的《论运动》的手稿中,他首次提出了向心力的定义:“我称之为的向心力是物体被吸引或迫使向某个中心点的力”。等到1687年的《自然哲学的数学原理》中对向心力的定义是:“向心力使物体受到指向一个中心点的吸引或推斥或任何倾向于该点的作用。”这个定义与后来的教科书上的向心力定义有差别,似乎并没有彻底抛弃离心力。牛顿力学主体是正确的,但也有缺陷和不足,其中不正确地使用向心力,把向心力作为圆周运动的成因,是牛顿力学最严重的失误!

    (2)惯性离心力的作用

    铁路弯道外轨高于内轨,高速公路弯道外侧偏高,其道理均在于主动使车辆产生重力力矩抵抗离心力矩。摩托车运动员在转弯处人与车要做大倾角倾斜,是抵制人体向弯道外侧倾倒,自动地用身体上重力的力矩平衡离心力的力矩。摩托车运动员在转弯处,人与摩托车走圆弧曲线,这时人身上有竖直向下的重力和水平方向的离心力,二力合力的方向即人与车倾斜的方向。由于人身体有自动调节平衡的功能,所以人与车的倾斜是自然地符合重力与离心力合力的方向,不需要有意识控制身体的动作和倾斜的角度。
    手握绳系小球作圆周运动,开始要用力抡几圈(产生沿圆周切向分力)才行,停手后小球能转一两圈,若用力抡起来的小球转动越快,手上会感到小球向外的拉力就越大,这个向外拉绳的力就是小球上离心力,手上握绳向里拉的力是向心力。不难想象,只有离心力大,手拉绳的力才能大,无视离心力,用向心力说明是以错代正。杂技运动员表演绳系碗旋转的水流星节目与上例同理。这个节目是运动员将是绳系有水的碗抡起来旋转而碗中的水不洒出。表演时运动员手拉紧绳的向心力是为了反抗离心力,特别的是碗里的水不向地面或转动中心洒出即离心力的效果。按向心力的描述水不能保留在碗内要抛向转动中心。碗上有绳拉的向心力而水上只有重力和离心力,绳拉的向心力使碗不飞出,水不洒出是有离心力使水压在碗内的缘故。
    杂技表演还有个节目叫“飞车走壁”。那个“壁”是一个高8.6米,上口直径11.6,底直径9米的大木桶,桶壁与底成98.5度的角。运动员在如此陡峭的桶壁上骑摩托车高速行驶如履平地,仅靠车轮与桶壁的摩擦力支撑而不滑下。桶壁上产生如此巨大的摩擦力,需要有巨大的正压力。据说运动员高速圆周运动的离心力可使人体超重为原来体重的6倍。这个问题不能用向心力来解释,最坚持向心力产生向心加速度的人也无法说明向心力怎样使运动员作圆周运动,因为运动员身上和摩托车上都找不到向心力。有人试图用离心运动解释此现象,但说明不了合外力怎么突然消失或者合外力不足以提供所需的向心力,就提不起离心运动了。这个运动也有向心力,它是桶壁给人和车的支持力,本质上与在平地上骑摩托车时车和人给地面压力产生的地面给人和车支持力的性质和作用相同。
    在竖直方向上作圆周运动的物体上要产生离心力,它与重力的合力要使物体产生失重或超重。飞机在竖直平面上作轨迹为圆的匀速运动,在圆上部的离心力(除了圆的上下顶点外,圆的其他部分是离心力在竖直方向上的是分力)与重力方向相反势均力敌,使飞机及人体产生失重;在圆下部的离心力与重力的方向相同,使飞机及人体超重。航天员的失重、超重训练就是利用产生的离心力的圆周运动进行的,其中失重训练除利用水的浮力模拟外还利用飞机在竖直平面上作大圆周运动产生几十秒的失重来体验;超重训练利用悬臂离心机在水平面上高速转动产生几个g的加速度使身体几倍超重。航天员在飞船中悬浮就是离心力与重力平衡产生的失重效果,这是个很简单的问题,向心力无能为力,不知又该作何辩解。
    汽车转弯是人转动方向盘使前轮转向,汽车作部分圆周运动,这时汽车上产生离心力使汽车有向外滑动或向外翻倒的趋势。雨雪路滑或速度过大的汽车转弯时翻倒或滑向路边都是离心力造成,现行的说向心力致使物体作圆周运动,否定或说虚拟的离心力的力学理论和一般物理教学没有这个知识,在生产和生活中祸害频发。如汽车特别是大型重载车急转弯有向外侧翻的危险,司机对这种知识不从理论上得到而从实践的事故中领悟,这是个人的悲哀更是力学理论的悲哀。

    (3)离心力和离心运动

    一个人坐在匀速转动的圆盘内,人体因随圆盘转动有线速度方向不断变化,所以人体上要产生向心加速度。当圆盘转速加快时,人会感觉身体上有某种无法控制的力量使自己向圆盘边缘滑动,若这个转盘边缘上有栏杆,当人滑动靠上栏杆时会感受到栏杆阻挡的反作用力。这个离心力发自人身上,是人自身产生的主动力使人体滑动,所以没有外部的施力物体,人体成对自己的施力物体。在这个匀速转动的圆盘上,人在圆盘上向外滑动是人体上的离心力大于圆盘对人的摩擦力,人体上并没有向心力,只有圆盘给人体接触面上的摩擦力才是向心力。
    物体受圆形约束作圆周运动特别是定轴转动时,在圆形约束物不破坏的条件下,物体上产生主动的离心力与约束物产生的被动的向心力平衡,物体上并没有“延圆周轨迹切线做直线运动的趋势”,也不存在“偏离直线惯性运动的离心现象”,只有保持圆周运动的惯性。离心力在半径向外直线上,为什么离心运动的物体不沿半径方向飞出,是因为物体作圆周运动的线速度方向在任一时刻均是圆周的切线方向,所以当圆形约束条件破坏时,离心力与向心力均消失,物体必然按原来的圆周线速度方向运动。这种脱离圆周运动后的运动被称为离心运动。离心运动理论上是按圆周切向作匀速直线运动,但地面上物体都在重力的环境下,所以脱离圆周运动的物体作抛物线运动。凡有转动就有离心力,在合适条件下就能产生离心运动。
    现有的离心运动的定义是:“作匀速圆周运动的物体,在合外力突然消失或者合外力不足以提供所需的向心力时,将做逐渐远离圆心的运动,此种运动叫做离心运动。”这个定义是错误的。圆周运动根本不存在提供向心力的合外力,也就没有力所不及的情况,因此这个合外力若有除非受鬼使神差。以洗衣机脱水桶为例,脱水桶高速转动时,湿衣物在桶内随着转动,在离心力作用下衣物紧贴桶壁,衣物内的水被离心力挤压到桶壁,桶壁上的许多小孔使水喷出脱离衣物。脱水和其他离心分离原理都是靠机械转动产生离心力,有离心力才有离心运动。本文说现有离心运动的定义错误,就要给出一个正确的定义:“当圆周运动的物体上圆形约束条件破坏不足以约束物体继续作圆周运动时,物体要在圆周运动的切线方向远离圆心而去,这种现象叫做离心运动。”
    离心运动易发生在小天体绕大天体运动上,如地球的引力可以与环绕其转动卫星的离心力平衡,也可以不平衡。这种二个主动力作用的圆周运动,当天体的离心力大于引力时,天体按螺旋线轨迹运动远离引力中心,如据报道月球每年远离地球3、4厘米,就是离心力稍大于引力造成的离心运动。与此相反,当天体的离心力小于引力时,天体要按螺旋线轨迹运动靠近引力中心,如有材料报道火星的卫星正在靠近火星,这种运动应叫做向心运动。天体的离心运动或向心运动说明,非接触作用的离心力与向心力的二力关系没有因果性,没有必然的联系,即不是作用力与反作用力的关系,白话说是各干各的,是天体系统与生俱来的自然转动把引力和离心力联系到一起。当然天体的平衡不是永久的,而且天体大多是椭圆轨道运行及受别天体影响,破坏平衡的变数很多。
    现行圆周运动理论不承认离心力,有一个同直线运动惯性力同样的理由:离心力不存在施力物体,不是物体对物体的作用。此说法同样不足为训,又本末倒置地将产生离心力的物体当作受力物体了,以为离心力是外部物体施加的使圆周运动物体承受的力。离心力是对外施力不是受力,在接触作用中对约束条件提供作用力,在非接触作用中对自己施力,因此要找离心力的施力物体,就找离心力物体本身。谁能断定圆周运动物体本身不能作为施力物体?离心力物体给约束物体的力不是物体对物体的作用是什么作用?倒是向心力应该找找施力物体,人们信奉向心力是分力或合外力,却找不到提供分力或合外力的物体,这个向心力不也是无施力物体吗?

    结束语
    匀加速直线运动的惯性力被说成是虚拟的力,匀速圆周运动的惯性离心力包括科氏力也被株连说成是虚拟力,都有一个僵化的迂腐的理由:各种惯性力都不符合力的定义。这种认识和说法,以为力的定义能涵盖力的一切,不想想力的定义是不是有不合适或不满足的地方。力的定义:物体对物体的作用;物体间的相互作用。力的定义仅限于力的作用阶段,只管力做什么不问力从哪里来,因而现有的力的作用定义不能兼顾力的起因问题。许多力的问题说不清道不明,是将涉及到力的起因和来源的力问题都用力的作用定义来考量造成的不和谐。

    2014年9月8日 于吉林松原
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    6.提倡应用牛顿引力场

    (一)摈弃暗能量引力场

    网上查找引力场材料,立马出现暗能量引力场说,此说不知谁人发明,认定为恶搞物理的人欺骗编造可能合适。毫无疑问,暗能量引力场是个伪引力场,但搜索引力场它总是抢先露面想必大有人脉和广泛的影响,可能比相对论引力场(相对论引力场方程没有实用价值,它只能把任一个圆的天体计算成不能实有的黑洞外再无它用,如不能用来计算行星运动或发射卫星。)还盛行。
    这里说的伪引力场之被叫做太阳系引力场方程,表达式为:F=G1MnM/R2。F表示太阳系引力场的引力,M表示太阳的质量,Mn表示太阳系中暗能量的虚拟质量,R表示太阳系引力场中任何一点到太阳系中心的距离。这个表达式的意思是:太阳系引力场中某一点的引力与暗能量虚拟质量Mn和太阳的质量Mp的乘积成正比,与该点到太阳系中心的距离R的平方成反比。这个引力场方程用来计算太阳对某行星的引力与万有引力定律计算若相等,式中的G1Mn的乘积应该等于万有引力常数G。这等于将本来的3*2变为2+2+2,把同一事物的一种说法废弃换用另一种说法,如此没有技术含量的编造比相对论引力场的编造差远了。
    万有引力定律计算的太阳对不同行星的引力的数值公认正确,伪引力场方程一定要以定律计算值为准来拼凑编造,尽管编造的所谓方程用来计算也可以,但毕竟是多余的东西。况且那个表达式形式上也有问题,引力场公式F说成是引力,但原式不动不能用来计算太阳对地球的引力,因为没有地球的质量,那个公式应该是引力场强E而不是引力F,要正确描述应该把F换成E。伪引力场除有公式外,还有胡言乱语的解释(下面各段引号内的文字)。
    “宇宙的运动不是由我们所熟悉的物质来推动的,而是由暗能量来推动的。”
    能量必产生于物质,不存在与物质无关的能量。能量寓存于物体,物体内通常的能量是物体的热量;物体外的能量是物体内能量的外泄,物体外泄的能量以电磁波的形式运动传播。暗能量若存在,以谁为寓寄物质?若说是存在于暗物质中还讲点逻辑(这里借用暗物质不是肯定暗物质),然而学术界一直把暗能量与暗物质并列,即认为暗能量是独立的事物。物体内的能量不能推动别的物体,物体外泄的能量即电磁波不能给别的物体以力的作用,暗能量推动天体运动的断言属无理无知。
    “太阳系的暗能量和太阳系物质运动的总动能是相等(下面简称‘能量相等’)的。在这种情况下,将不会存在太阳的引力,即太阳与行星之间不存在引力。”
    说这个胡诌的能量相等,明显是想用来表现作用抵消,但两作用相等不一定就是抵消有可能叠加呢。说这话物理知识大有欠缺,力能叠加或抵消,能量相加能增强不能抵消,因为物理学上的能量不分正负。即便能量相等假算作力的抵消也不能说太阳与行星间不存在引力,因为有引力存在才有抵消,引力抵消不能说引力不存在,矢口否认引力的论调可说是一种理论噪声。
    “太阳系和银河系的运动都是旋涡型的,所以,暗能量必定以一种旋涡运动的形式存在,以便推动它们的这种运动。”
    这种因果关系不成立,没有因星系旋涡型运动就存在暗能量是旋涡型的逻辑。若说银河系是旋涡型尚可,说太阳系是旋涡型的说明眼瞎话。太阳系是主序星系,各行星以小偏心率的近圆轨道绕太阳运转;其中的小行星天体轨道变动大些是受大行星的引力摄动所致。太阳系中无论行星还是彗星绕太阳转动,大都稳定长久。说暗能量以旋涡运动形式存在,这个旋涡运动要有大量的质料才能成型,否则没有旋涡运动。能量本身不是实体或粒子无质量量度,脱离物体的能量只能是电磁波,电磁波不作旋涡运动。
    “当暗能量为零时,太阳系将失去运动的动力,它将会象一盘散沙,而不会连结成一个整体,所有的行星都不会绕太阳运动。”此言蛊惑人心。若有暗能量给太阳系充当动力,这个动力是加到太阳上还是分别加到各行星上?若加到太阳上不影响行星的运动;若加到各行星上,每个行星都有一个额外的动力,会越转越快,不断增大的离心力使行星远离太阳,太阳系可真要成一盘散沙了。太阳系产生于同一物质团。这个物质团原来就是转动的,太阳系继续原来的转动,当然也存在着物质收缩成星球后转速变化。太阳系中行星各自绕太阳转动,不是全部行星协调一致的转动,没有一个共用的动力。行星的转动是惯性运动,不需要动力,行星上若有什么能量能提高温度而没有推动作用。

    (二)建立牛顿引力场

    本来,牛顿的引力理论表现在万有引力定律上不涉及引力场,是电磁场概念建立后,人们发现场概念很好用,便顺理成章地把场与引力结合起来,产生了引力场概念。不知何时起,有了牛顿引力场概念,这个概念不见经传在力学理论中不出现,但网上搜索还真的有人提及并应用。有牛顿引力场概念不见相关理论,因而有必要从理论上加以构建,使牛顿引力场名至实归符合理性。网上牛顿引力场有牛顿力学范畴内的引力场意思,本文的牛顿引力场是万有引力定律去掉受引力物体质量剩余部分的定义。
    点电荷在真空中的库仑定律的表达式为F=KQ1Q2/rr,牛顿万有引力定律的表达式为F=GMm/rr,二者出奇的相似。两定律表达式的相似,万有引力定律发现在前,可理解库仑定律创立时有条件以万有引力定律为参照。库仑定律进一步发展成静电场概念,静电场是把作用的两个点电荷,去掉一个,将剩下的一个电荷,预置为静电场,使其能对进入其空间的电荷有静电力的作用。静电场表达式为E=KQ/rr。让静电场理念反馈给引力场,可仿照静电场建立引力场,公式表示为E=GM/rr。这个表达式也就是牛顿万有引力定律去掉受引力物体质量的一种表示方式,可命名为牛顿引力场。冠名牛顿的引力场是正宗的引力场,其他打着引力或能量旗号的所谓引力场都是外道引力场。
    引力场公式由万有引力定律改变而来,它计算中心恒星对周围行星的引力必然合适。引力场表达式E=GM/rr中,E为引力场场强,M为场源物体的质量。这种引力场表示是引力场中任一距离点的场强,场强与受力天体质量的乘积等于引力,即F=Em,又成为万有引力表达式F=GMm/rr。这个引力场公式是万有引力定律表达式的改变,有实用意义,场强表示一个独立物体的对外作用因素超越轮廓范围的存在,有助于理解引力的远距离作用。局域面积的引力场强,已有将静电场的高斯定理引入引力场中的公式(本文贴不上)。这种引入也叫做引力场中高斯定理的应用。
    仿负电荷静电场定义牛顿引力场,不是简单地将万有引力定律换一种形式使用,而是有利于说明引力的如何作用。引力场概念是表示物体非接触作用的主观概念,引力场是虚拟的事物。引力场是物质的隔空作用的空间范围,这个空间范围是以场源物质为核心向外扩展的开放至无穷远的场所。隔空作用是物体相隔空间就有作用,此非接触远距离作用的场是模拟的物理场,在场的空间里没有构成场的物质质料,可认为仍是普通的空间。引力场场强可看作该天体跨越空间作用的潜在和预置,或说是空间距离上的作用等待,它能对进入或放入指定空域位置的物体立即转化为力的作用,不须考虑引力如何从场源中心怎样移动到引力物体的问题。场中只有别物质才有场的作用,没有别物质受场力,场及场强的存在仅有数学意义。
    引力是物体相互吸引的作用,是什么原因使物体吸引呢?引力是物质上自发产生,应该说来源于物质的基本性质,即物质任何条件下都存在的性质。物质的基本性质必有聚集性(可简称聚性)和惯性。人们早就知道这两种性质,但认识上都不充分和完备。聚性是物质固有属性,就是说受作用散开的物质总要自动的再聚集到一起。聚性是引力的根源,引力是聚性具体化计量化的认识。聚集性质是超越物质自身范围的吸引性质,即能把有一定距离的物质吸引过来或被它吸引去,聚集过程使大颗粒吸引小颗粒,小颗粒要吸附到大颗粒上,不断的聚集使物质聚集成团块乃至形成天体。物体有聚集,为什么没有把宇宙中的物体聚集成一块?是因为物质团总是转动的,转动产生惯性反抗的离心力抵抗甚至平衡引力,这使行星在一定距离下绕恒星转动而不向恒星作靠拢运动。
    人们看引力,总是认为引力以某速度传递有个时间过程。实理上人们认定两物体有引力时,两物体早已存在,引力早已作用。现有的物质都是宇宙中所固有的,既不能再产生也不能消灭。砖从工厂中生产出来,好事者可计算地球对这块砖的引力,这个引力不是从有砖时才有,也不是砂土成砖后才传递过来,组成砖的等质量砂土没成砖前就受地球等于砖的引力。此种情况表明,空间中没有不受引力的物体,不存在一个新的物体与天体之间刚产生引力问题,也就不存在引力从哪时刻开始传递的问题。

    2016年7月23日 于吉林松原
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    7.惯性力场是个伪概念

    近年来,有人提出惯性力场概念。这个概念的提出可能是根据引力有引力场、惯性力也应该有惯性力场的简单类比。然而,引力属于基本力,惯性力属于再生的力,惯性力与引力有相似处但却是有不同性质和起源的力,用力场作两相类比事不可行。
    惯性力是物体受不变外力作匀加速运动时,物体的惯性使物体产生反抗外力的作用。匀加速直线运动物体上的惯性力等于物体的质量与加速度的乘积(这是牛顿第二定律作为力学方程的本质意义)。匀速圆周运动物体上的惯性力(速度方向不断变化产生向心加速度)也叫惯性离心力或简称离心力,等于物体的质量与向心加速度的乘积。惯性力是真实的力,有些教科书说惯性力是假想力根据虚伪系无理之谈。
    惯性力与引力各有自身特性:惯性力是物体运动状态改变时物体上自身发生的力,物体恢复静止或匀速直线运动惯性力即消失;引力是物质自身存在的大小依距离而变的力,无论物质的运动状态如何始终存在。引力以物体为力源,发自于一物体影响周围的物体,周围物体同样也发力,二物体相互作用力大小与物体质量大小有关。惯性力的大小由物体质量与加速度共同决定,在匀加速直线运动中充当对外力物体被动的反作用力,在匀速圆周运动中的离心力是主动的作用力。
    惯性力与引力有相似之处,发出引力的物体是发自物体的每一物质单元上,受引力物体也是物体的每一物质单元上受力可谓由表及里;惯性力也是发自发出惯性力物体的每一物质单元上,但对受力物体作用在接触表面可谓一点承担。引力和惯性力在应用上都是看作一个集中的力。惯性力与引力相似处还表现在:物体上受的引力是别物体施加的力,惯性力是物体自身发生的力,却好像远处一物体给予的不变引力。受机械力作用的物体的惯性力反作用于施力物体,受引力运动的物体的惯性力作用于自身可抵消所受的部分甚至全部引力。这是同一物体的内力抵消,使物体失重,不影响物体受引力的加速运动。
    引力与惯性力不同之处,体现在引力是非接触力有空间距离,惯性力是接触力要有作用点。力场只能存在于非接触作用中,表现超越物体间隔空间的隔空作用。人们创造了力场概念,如静电力的静电场、万有引力的引力场,但却误认为非接触作用通过力的场来传递作用。然而力场是虚拟的为了直观简便地描述物体受力状况,不是对一种真实的场事物的利用。惯性力由物体本身产生和发出,只对接触物体有作用没有非接触的隔空作用,也就不存在力场,因而有惯性力没有惯性力场。
    最后总结评述,惯性力场是个无本质无现象无意义的伪概念,不应该再正经八百的描述和应用下去。

    2016年9月1日 于吉林松原

    作者:郭连成
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    [LV.4]偶尔看看III

    发表于 2018-2-10 10:32:30 | 显示全部楼层
    是该修补了
  • TA的每日心情
    开心
    2018-7-16 02:09
  • 签到天数: 46 天

    [LV.5]常住居民I

    发表于 2018-2-14 09:44:26 | 显示全部楼层
    普及科学知识,善莫大焉!
  • TA的每日心情
    开心
    6 天前
  • 签到天数: 2342 天

    [LV.Master]伴坛终老

    发表于 2018-2-16 11:51:34 | 显示全部楼层
    江湖探索人大家戊戌新年好
  • TA的每日心情
    开心
    2018-3-3 10:31
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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2018-3-3 10:38:38 | 显示全部楼层
    人类的进步,需要科学技术的伴随。
  • TA的每日心情
    开心
    2018-3-8 08:35
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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2018-3-8 08:49:33 | 显示全部楼层
    致敬,楼主!
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