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力、质量和加速度:牛顿第二运动定律

1999年7月7日,在韩国釜山海岸,一架F/A-18大黄蜂被派往攻击战斗机中队一五一(VFA-151)打破了太平洋上空的声音屏障。VFA-151部署在USS星座号(CVN 64)上。约翰·盖伊海军少尉拍摄的美国海军照片)

艾萨克·牛顿第一运动定律指出,“静止的物体将保持静止,运动的物体将保持运动,除非受到外力的作用。”那么,当外力作用于物体时,物体会发生什么?牛顿第二运动定律描述了这种情况。

根据NASA的说法,这个定律指出,“力等于每次时间变化的动量变化。对于恒定质量,力等于质量乘以加速度。”这是用数学形式写的,因为F=m a

F是力,m是质量,a是加速度。这背后的数学很简单。如果力加倍,加速度加倍,质量加倍,加速度减半,牛顿在1687年发表了他的运动定律,在他的开创性著作《自然哲学的数学原理》(Philosophisænaturals Principia Mathematica)中,他正式描述了大质量物体在外力作用下如何运动。

牛顿扩展了伽利略早期的工作,俄勒冈州大学的物理学教授格雷格·博顿说,他发明了第一个精确的质量运动定律。伽利略的实验表明,所有物体无论大小或质量如何,都以相同的速度加速。牛顿还对笛卡尔的著作进行了批判和扩展,笛卡尔在1644年出版了一套自然定律,那是牛顿出生两年后。笛卡尔定律与牛顿第一运动定律非常相似。

加速度和速度

牛顿第二定律说,当一个恒定的力作用在一个大质量物体上时,它使其以恒定的速率加速,即改变其速度。在最简单的情况下,施加在静止物体上的力使其朝力的方向加速。然而,如果物体已经在运动中,或者如果从一个移动的惯性参考系中观察到这种情况,那么这个物体可能会出现加速、减速或改变方向,这取决于力的方向以及物体和参考系相互之间移动的方向。

粗体字母F和方程中的a表示力和加速度是矢量量,这意味着它们既有大小又有方向。力可以是单个力,也可以是多个力的组合。在这种情况下,我们将方程写成∑F=ma

大∑(希腊字母sigma)表示作用在物体上的所有力或净力的矢量和。

很难想象在不确定的时间长度内对物体施加恒定力。在大多数情况下,力只能施加有限的时间,产生所谓的冲动。对于在惯性参考系中运动的大质量物体,如果没有摩擦力等力的作用,一定的冲量会引起其速度的一定变化。物体可能会加速、减速或改变方向,在此之后,物体将以一个新的恒定速度继续运动(当然,除非脉冲导致物体停止运动)。

然而,有一种情况下,我们确实会遇到一个恒定的力——重力加速度引起的力巨大的物体对地球施加向下的力。在这种情况下,重力引起的恒定加速度写成g,牛顿第二定律变成F=mg。注意,在这种情况下,F和g不是传统意义上的向量,因为它们总是指向同一个方向,向下。

质量乘以重力加速度的乘积,mg,称为重量,这只是另一种力。没有重力,一个巨大的物体就没有重量,没有一个巨大的物体,重力就不能产生总工程师。为了克服重力并提升一个巨大的物体,你必须产生一个向上的力ma,它大于向下的重力mg。

牛顿第二定律

火箭在太空中飞行包含了牛顿的所有三个运动定律。

如果火箭需要减速、加速,或者改变方向,一个力被用来推动它,通常来自发动机。力的大小和提供推力的位置可以改变速度(加速度的大小部分)和方向。

现在我们知道惯性参考系中的大质量物体在受到外力时的行为,比如发动机是如何产生火箭的推力机动的,施加这种力的身体会发生什么情况?牛顿第三运动定律描述了这种情况,

由瑞秋·罗斯补充报道,现场科学贡献者。

另见:

牛顿运动惯性定律和牛顿第一运动定律

附加资源

超物理:牛顿定律物理教室:牛顿定律美国宇航局:牛顿运动定律

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