令人费解的牛顿第三定律:力的作用与反作用

时间:2023-11-17 09:49:03

在牛顿提出的力学三大定律中,最让人难以理解的可能就是“牛顿第三定律”了,也就是力的作用与反作用。我们都听说过这条定律,在日常生活中也经常用到,但很少有人能深入理解。也许你从接触开始就理解了,但我却是在知道这条定律的10年之后,才真正理解的。

在和很多人谈论这条定律时,我经常认为,他们其实并没有从根本上对这条定律表示认同。对于相对静止的物体来说,力的作用与反作用很容易理解,但对于运动的物体来说,就不是那么容易了。定律上说“作用等于反作用”。我们可以想象这样一个例子:马拉车,马走的时候,马向前拉车的力等于车向后拉马的力。这样的话,马车应该不动才对呀,但为什么马车还是向前运动了呢?两个相反方向的力相互作用,不是应该相互抵消吗?

令人费解的牛顿第三定律:力的作用与反作用

对这条定律,大家经常会产生这种误解。那是不是说这条定律本身就是错误的呢?当然不是,这条定律本身并没有错,只是大家没有从根本上理解而已。两个力的方向虽然是相反的,但并不是作用在同一个物体上,所以不能相互抵消(一个力作用在车上,一个力作用在马上)。这两个力的大小是一样的,但并不是说,同样大小的两个力会产生同样的效果。比如,同样大的两个力作用在不同的物体上,产生的加速度一定相同吗?力对物体的作用和物体本身之间的反作用有没有关系?

明白了这些,就能很容易地理解马车的工作原理了。即便马车也用同样大小的力向后拉马,马仍然能拉着车向前走。虽然作用在车上的力等于作用在马上的力,但车是靠车轮的位移向前移动的。马是蹬在地面上的,所以车很自然地就向着马拉的方向前进了。还可以这么理解:如果马拉车的时候,车对马没有形成反作用力,那么就根本不需要马拉了,只要对车施加一个很小的力,车就能向前走。车要靠马来拉,才能克服作用在车上的反作用力。

在理解牛顿第三定律时,我们可以将“作用等于反作用”改成“作用力等于反作用力”,这样就很容易让人理解,也不会产生前面的错误认识了。人们通常认为,“力的作用”就是物体的位置移动。要是这么理解的话,当两个相等的力作用到不同的物体上时,产生的作用很可能是不同的。

有这样一个例子:

一艘船困在了北极。冰雪紧紧裹住船身,船舷被浮冰紧紧挤压,船舷也以同样大小的力作用在浮冰上。冰块可以很容易地经受得住船舷的压力,但是即便船身是用钢材铸造的,由于不是实心的,也根本无法承受冰块对船身的压力。所以它会被冰块挤破,酿成惨剧。

在落体运动中,这一定律同样适用。正是由于有地球的引力,苹果才会落到地面上。但同时,苹果对地球也有同样大小的引力。苹果和地球,作为两个物体来说,都可以理解为落体,但下落的速度不同。苹果和地球之间的引力是相等的,苹果得到的加速度是10米/秒2,由于地球的质量要大得多,得到的加速度就会小得多。相对于地球来说,苹果的质量是可以忽略不计的,地球向苹果移动的距离也可以忽略不计。所以,我们说“苹果落到了地上”,而不说“苹果和地球相向落下”,或者“地球落到了苹果上”。