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论惯性

时间:2006-11-23栏目:物理论文

  摘要:  对经典力学范围内现行的惯性观提出了不同的看法,认为对于惯性要区分:个别研究对象的性质与存在的性质;保持某种状态的性质与改变某种状态的性质;物理学规律的动力学特性与审美性。
  
  关键词:  惯性;存在;时间;空间
  
  惯性是经典力学中的一个基本概念,同时它又是人们日常生活中的一个基础性观念,并且惯性问题也是经常被物理学界讨论的一个话题(1)。可是,尽管经典力学经过了漫长的发展时期,大部分的物理教师在此问题上还存在着很多的混乱性(2),本文试从几个方面对惯性进行了讨论,望引起大家的共识。
  
  一、惯性的意义
  
  大家知道,惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质(3)。一个物体,只要不受外力作用,原来静止的就会一直静止下去,而原来运动的则会一直作匀速直线运动。这里的问题在于:惯性是否是物体的性质?依据牛顿第一运动定律,任何物体均具有惯性。因而,看来惯性不是被研究物体的性质,因为这一性质是一切物体所具有的,也就是说它与物体的个别特征无关。因而,惯性只能是存在的一个特征,是被研究对象周围的环境在此对象上的表现。换一句话说,它是存在于物体周围的一种条件,一种约束。
  
  二十世纪初,德国数学家诺特尔(4)证明了:空间平移对称性导致动量守恒、空间转动对称性导致角动量守恒、而时间均匀性导致能量守恒。事实上,物体的惯性是时间均匀性与空间对称性的必然结果。因而它与个别的特殊研究对象无关。惯性不是个别存在物的性质,个别存在物只是惯性的显现者,惯性的本质与个别存在物的特性无关。从而我们就不能用反映个别存在物性质的量(例如质量)来测度惯性。因为惯性作为存在的一种显现,并无大小可言,它只是存在之状态的表达。
  
  二、惯性与物体运动状态变化的难易程度无关
  
  通常认为质量是物体惯性大小的量度是据于这样的理由:质量大的物体在相同的力作用下其运动状态不容易改变。这是由牛顿第二定律所得到的基本结论。而事实上物体运动状态是否变化,物体运动状态的变化是难还是容易是与惯性无关的。惯性所揭示出的物体之性质不在于其使(或抗拒)物体运动状态的改变或代表改变的难易程度的能力,而在于它的保持某种特定状态(静止或匀速直线运动)的本领:在最相似的物之间,错觉说着最巧妙的谎;最小的罅隙是最难度(5)。因而惯性与物体的质量无关。倘若惯性与物体的质量有关的话,则我们也可以说力与惯性也有关系。因为对于相同质量的物体而言,力越小其运动状态就越难改变。因而,也即力越小物体的惯性越大。事实上,在惯性概念发展的最初时期,牛顿就将惯性与力进行等价的思考,当然现在大家知道牛顿的把惯性等同于力的思想是错的了。如果要说质量与惯性确有联系的话,作者以为也只能从这样的一个视角来看:惯性是由其表现物体周围存在着的与时空有关的天体质量分布情况决定着的性质。这是因为,根据广义相对论,空间的性质是由天体质量的分布所决定的。至于时间,自从奥古斯丁(6)提出“什么是时间?”以来,人们还没有认清它的真面目,也因而从更深的层次上而言,人们只认识到什么是惯性而还没有搞清惯性是什么。
  
  惯性不是一种由个别物体自身所具备的原因(诚然,所有物体均会表现出惯性),它不是我们的一种吃力的、需要支撑的、痛苦感的反映,事实上,它是存在之美感的绽开。因而“惯性是物体对任何改变其运动状态的外来作用的阻抗的性质”(7)这样一种说法就是不当的。因为这一注释还是从对牛顿第二定律的基本分析而来的,在这一注释中已经隐藏了牛顿第二定律及对惯性与物体质量等价的认同感。其实,惯性是一种令人十分安全的、舒适的、和谐的存在之性质,它使物体的存在行为非常简单,而人们也往往由于常见到这种存在的简单性而忽视了它的深层含义。静止的永远静止,运动的永远作匀速直线运动,惯性就是将存在如此单调而重复地显现在人们眼前。凡是背离了这两种物体的存在情况而用惯性去解释其存在原因的,作者以为均属一种不当的诡辩行为。可是这种诡辩行为不仅麻木了人的脑神经而且充斥着各种各样的教科书(8),我们来看一些下面的例子。
  
  例1.惯性也有不利的一面,高速行驶的车辆因惯性而不能及时制动常造成交通事故。所以,在城市的市区,对机动车的车速都有一定的限制,以利于行车安全。(9)
  
  在这里,不能及时制动是由于惯性还是由于制动力不够大?略作思考,读者就可判断出是由于后者。将惯性看成一种破坏力是十分荒唐的。而发生交通事故的真正原因是,由于车辆质量较大,而相应的制动力在如此质量的物体上所产生的加速度很小,不能使车辆很快地减速,从而在短时间内停下来。倘若对于质量较大的车辆来说制动力也允许更大,那么作者认为还是可以在一定的时间内制动车辆的。
  
  并且,这个例子中的“高速行驶的车辆”及“对机动车的车速都有一定的限制”的字句很容易使学生认为惯性和物体的运动速度有关。这对于初学者来说是一个很大的误导。
  
  例2.把斧柄的一端在水泥地面上撞击几下,斧头就牢牢地套在斧柄上了,这是什么缘故呢?(10)
  
  通常标准答案是这样的:开始斧头和斧柄同时向下运动,当斧柄遇到障碍物时突然停止,而斧头由于惯性保持原来的运动状态,这样斧头就牢牢地套在斧柄上了。
  
  事实上,斧头在斧柄上套牢是由于斧头克服了阻力相对于斧柄运动了一段位移,而惯性不是克服某种阻力使斧头运动的原因。在此问题中的一个效果是斧头相对于斧柄产生了某种(克服一定力的)运动,因而我们必须以斧柄为参照系来考察此种运动的实质。当以斧柄为参照时,实际上斧柄在撞击的过程中是一个非惯性系,它相对于惯性系有一个向上的加速度。因而斧头在此参照系中必受到一个向下的“惯性力”,正是此力与斧头的重力克服了斧头与斧柄之间的弹力与摩擦阻力使斧头相对于斧柄前进了一段位移,从而使斧头在斧柄上套牢。如果一定要以地面为参照系来看斧头在斧柄上套牢的问题,那么可以这样认为:虽然斧头在斧柄上向下套牢的过程中没有受到除重力以外的向下的另外力,但相对于地面而言斧头具有一定的动能和重力势能,正是这个能量克服了阻力作功从而转化为内能。所以从效果上看,一是斧头相对于斧柄向下移动了一段位移,二是斧头与斧柄的接触面上在发热。
  
  如果仅从动力学的角度来看,斧头在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小与作用时间(或所通过的位移)所共同决定的,也就是说它和斧头相对于斧柄的动
  
  能或动量变化有关。斧柄在“水泥地面”上“撞击”这两个条件只是使斧柄产生了相对于水泥地面的较大的动量变化率,从而也使斧头具有了相对于斧柄的惯性力。但是,虽然这个惯性力构成了斧头套牢在斧柄上的直接原因,可严格地说,斧头在斧柄上套得牢不牢的原因还和斧头的重力及斧柄的弹性和斧头与斧柄的摩擦力大小均有关系。并且斧头在斧柄上套得牢不牢和作用时间也大有关系,因而,撞击“几下”也是一个非常重要的条件。
  
  例3.小车上竖直放置一个木块,让木块随小车沿着桌面向右运动,当小车被档板制动时,车上的木块向右倾倒。这是怎么回事呢?(11)
  
  教科书上的答案是这样的:小车突然停止的时候,由于木块和小车之间的摩擦,木块的底部也随着停止,可是木块的上部由于惯性要保持原来的运动状态,所以木块向右倾倒。
  
  事实上,本例中小车上木块的倾倒是由于力矩作用的缘故。若以地面为参照物,小车对木块的摩擦力对木块的重心而言有一个顺时针旋转的力矩,从而木块向右倾倒。若以小车为参照物,小车被档板制动时已是一个非惯性系,作用在木块(重心)上的“惯性力”对木块的底端也产生一个使木块作顺时针旋转的力矩。
  
  需要指出的是,在上述例2和例3中,斧头在斧柄上套牢和木块在小车上倾倒已是一个涉及物体在非惯性系中的动力学的问题。其中例2是非惯性系中的质点动力学问题,而例3则是非惯性系中的刚体动力学问题。可是,在非惯性系中,我们通常意义上所论述的牛顿第一定律已不成立,从而也失去了此两例的代表意义。也就是说,这两个例子不仅是不准确的解释而且是不适当的例子。在涉及惯性的问题上我们必须分别那些是属于惯性现象,而那些则不属于惯性现象——即为动力学现象。牛顿的例子,毫无疑问是正确的(12),但我们许多的物理学工作者却将惯性对事物的解释范围作了相当随意而并不恰当的扩展或扭曲。其实在讲述惯性时,用不着举更新鲜的特别例子,倒是需指出惯性使我们对事物常态的存在方式太熟视无睹了。这里问题的关键在于,惯性不是使物体改变运动状态(使火车制动、使斧头套牢在斧柄上、使小木块倾倒)的原因。严格地说,这些原因和物体的惯性无关,只和力有关,而至于火车制动得及时不及时,斧头套在斧柄上牢不牢,小木块倾倒得快不快,则不仅与力有关,还和物体的质量、形体、初速度有关。但即使如此地与质量和初速有关却也与惯性无关。
  
  惯性,这个我们通常认为是由物体内在因素决定的性质,其实是物体存在方式的一种条件性:“试取汽车为参考系统来研究‘当汽车急剧刹车的时候,车中乘客有向前倾倒的倾向’这个问题,在汽车急剧刹车前,相对于汽车而言,乘客是静止的,在汽车急剧刹车时,乘客突然向前倾,这就是说,以汽车为参考系统,乘客由静止而突然向前倾

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