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对作用力的补充研究

(2017-05-24 06:50:07)
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教育

科技

探索

文化

分类: 自然认知

  牛顿的三大定律对物质物体的运动、相互作用都进行了描述,从顺序上看,运动现象显然被作为自然形成的前提条件了,物质物体的相互作用感觉并不是作为物质物体的基本属性来认识,物质物体的相互作用似乎成了物质运动现象产生的现象。这显然从本质上忽略了物质与物质、物体与物体间的相互作用才是一切自然现象产生的前提。物质物体的运动只是物质物体相互作用产生的现象,最根本的是物质物体有相互作用这一基本属性。

  牛顿的三大定律对物质物体运动的描述是非常到位的,但是对物质物体相互作用的描述却存在着一个严重的漏洞:施力速度问题。施力速度问题直接关系到很多自然现象的统一解释问题,让大家都明白后就可以得到对自然的有效认知,就可以进一步指导后续的科学研究工作。

 

一、此前力学认知遇到的问题

  为了更加有效的进行说明和表达,我们先对此前和现代的主流力学认识作必要的介绍。

  1、经典力学、相对论的力学认知及遇到的困难

在经典力学中,被作用物质物体不论什么运动速度都能有效地受到施力物体的作用,似乎施力物质物体的作用力能够恒定地作用于被作用物体而产生相应的加速运动,物质物体运动达到光速和超光速应该都是合理的,但事实上目前除了电磁波(光)、引力波外似乎并没有什么实体物质或物体的速度达到或超过真空中的光速,这样物质物体不能达到光速、超光速运动的结论就有背自然而困扰着经典力学。

相对论为了解决经典力学的困扰,提出了物质物体有静质量、动质量的假设建立了一种“质速关系”,这个质速关系以“任何物质物体都不能超过光速”的假设为基础,也就是以“光速不变原理”为基础形成了一个质速关系,这个质速关系认为:运动速度接近真空中的光速的物质物体质量趋近无穷大,这样似乎很好地解释了物质物体不能超过光速的自然现象。但是自然界中的电磁波(光)、引力波又如何达到了光速?这样质速关系也遇这种麻烦的情况也成了悖论,因此相对论就再度提出了一个假设来打补丁,即:达到光速运动的物质物体质量为“零”。表面看起来似乎没有问题了。但是,接近光速要达到光速却有一个不可逾越的障碍,即:动质量无穷大的内容有什么样的作用力能有效地作用达到光速呢?这显然是一个不合理的解释。

2、一般物质物体的施力与受力

  经典认知中重点分析了物质物体的受力,一个“作用力等于反作用力”的定律的出现,基本上就忽略了物质物体施力问题,下面我们来认真分析一下一般物质物体的施力。

在开始分析前我先引入一个一般性物理问题:施力物体在施力过程中作用力的大小是否能决定被作用物体的极限运动速度?在经典力学中似乎力的大小已经决定了一切物质物体的极限运动速度。但事实上,在加速物质物体运动的过程中,被作用物体运动速度接近施力物体极限速度时作用力会越来越小。如果施力速度恒定不变,被作用物体是永远也达不到施力物体的施力速度的,如果不加快施力的速度,无论所施的作用力如何强大都无法产生有效的作用力。只有施力物质物体本身或者传递力的介质超过相关的被作用物质物体运动速度才能产生有效的作用力。

经典力学思维并没有从施力的有效性上去考虑过,所以就几乎没有研究过施力的速度与被作用物质物体运动速度的关系。但在现实中这种情况比比皆是。比如:在平直的路上用人力、机械力推动车辆运动,人力与机动力的大小并不决定被推动车辆的最快运动速度,而是人或机械力的空载速度决定车辆的最快速度,机动力并不一定比人力大,一个大力士也并不一定比一个跑得更快的力气小得多的人推动的车速度快。力气小的人与机械力空载运动速度往往要快得多。人力推动车辆所能达到的速度一般远低于相同机动力所能推到的速度。大力士也并不一定能推出高出力气比较小的人推出的车速。

自然界的受力一般是非线性受力,而经典力学对线性的受力的分析是很到位的,但是对非线性受力的分析就有所缺失了,而现实中大量的力切实都是非线性的。

研究施力的速度与被作用物质物体运动速度的关系完全可以设计实验来进行,实验设计的关键:首先是一个空载运动速度恒定的施力物体,现代条件下可以用电子手段来稳定;其次是运动过程中被作用物质物体实际运动速度与受力大小的同时性计量记录。实验过程中适时记录的数据可以完美地画出相应的图像,这样就可以非常直观地反映出在某恒定施力速度下被作用物质物体受力大小与自身运动速度的关系了。

 

二、作用力速度的实验设计与验证

设计合理的实验来验证物理推断是非常有效的手段。因此本文也免不了设计一个实验。下面就是相关的实验设计。

对作用力的补充研究

  上面的实验如果与电脑连在一起后进行就更能够直观地反映出施力速度与被作用物质物体运动速度的关系,这样我们将得到如下的数据分析曲线。

 对作用力的补充研究

  从上面的曲线分析图我们可以很直观地了解到施力物体用恒速力作用物体时,被作用物质物体运动速度与其受力大小的关系和受力过程了:具有相对恒定的速度的施力物质物体对其它物质物体的施力过程并不是线性过程,而是一个非线性过程,初始施力时受力过程是急速加大到相应的力度,这个过程加速度的变化是极大的,加速度的变化显然也是非线性变化而不是线性变化;当物体达到一定的运动速度时,物体的受力会随运动速度的加快而逐渐减小,但是永不为“0”,是因为加速度的变化极小,实验观测上就是受力极小。这段时间的受力同样是非线性的减小而不是呈线性减小,也就是说加速度也是非线性的变化。接近施力作用速度运动时作用力极小可以近似地看着匀速运动而忽略作用力的存在。

通过设计实验进行分析,要对一个物质物体进行有效的作用,必须满足:施力物体的空载极限运动速度或施力工具(力的传递介质)的运动速度必须大于被作用物质物体同向的运动速度才能产生有效的作用。

实验设计是否有效可行,需要条件更好的专门的科学研究机构认真研究重新本实验进一步验证相关的结论。

 

三、作用力速度在实际生产生活中的应用

  为了更加有效的进行分析,在这里必须要先明确我提出的两个物理概念,即恒速力、恒力。

1、恒速力是指空载时施力物质(或介质)的极限速度相对恒定的力。自然界中能产生的力都是恒速力,也就是说一般施力都具有空载极限速度,而不是没有空载极限速度的力。如人力、各种机械力、电磁力。人们为了施力更加有效,人为进行了空载施力极限速度的变换,典型的案例就是各种变速装置。如汽车换档变速、杠杆、齿轮、滑轮等等都是有效改变施力速度的技术。同时也是用速度换取作用力强度的技术。

用恒速力来表达更有利于对自然作用力的认识,可以用FV表示恒速力,意思是施力作用F有极限空载速度V,同时这也表达了一个施力物体的功率大小。我们可以通过物理改变F和V的大小,但是不会改变施力物体的功率也就是说对一个施力物体作用效率的改变都必须遵循以下原则:

FV=F

即:改变施力作用效率前后的作用力的大小与相应的空载极限速度的乘积相等。也可以说是改变作用速度无法改变基本施力物质或物体的功率。特别要注意的是这种乘积与功率所表达的内容不同,F、V在这里是不能直接相乘取计算值的进行作用力分析的。但相乘取值可以代表最大功率。

2、恒力是指任何时候作用力强度都不产生变化的作用力,简称恒力。在经典力学中用来分析的主要是恒力,恒力作用物质物体时产生的加速度是呈线性变化的,恒力只有在相对运动状态不变或施力物质物体空载时运动速度可以无穷大时才存在。施力物质物体空载时运动速度可以无穷大只是一种无法求证的假设,进行科学研究的意义不大。因此恒力的研究就主要集中在相对运动状态不变的物质物体间的作用。如:在一定范围内用自由落体作用另一物体可以看着近似的恒力,但是施力物质物体与被作用物质物体都成为自由落体时,两物质物体的直接相互作用就消失了。静态物质物体间的作用力也可以成为一种恒力,也可以是变力,这种力宏观上不做功;匀速圆周运动的物体受力也是一种恒力。

施力速度与被作用物体运动速度差别越大施力作用越有效,从实验中和实际的应用中得到了肯定的,但是施力速度与被作用物体运动速度之比与被作用物体受力的大小呈什么关系必须用实际的物理实验来作更详细的判断。我不想过分假设。

作用力的大小并不代表施力速度的快慢,也就是说作用力越大并不代表施力速度就越快,作用力越小也并不代表施力速度越小。作用力大小并不能决定被作用物质物体的最快运动速度,只有空载时施力物质物体的施力工具或施力介质的运动速度才是决定被作用物质物体的运动速度的关键。作用力的大小只能决定作用相关物质物体进程的快慢或被作用物质物体可获得的加速度的大小。

有了前面的分析,我们再来分析一下粒子对撞机加速粒子能产生的最高速度是多少就不难了,首先明确一下粒子对撞机加速介质“电场”、“磁场”的空载运动速度,这个速度就是真空中的光速C,是相对恒定的速度,这意味着电磁力的作用效率与C相关,也就是说无论多么强大的电磁力加速任何粒子都不可能超过自身的速度C。当粒子越接近C运动,电磁力的作用效果越差,而并不是被加速的粒子在运动中质量发生了什么变化。显然,被加速的粒子接近光速时质量接近无穷大的观点是一种悖论,这个悖论还必须给达到光速增加一个假设:认为达到光速运动的物质物体质量瞬间变为“零”。用恒速力来解释高速运动中的作用显然不需要静质量、动质量这两个假设来作复杂的解释,而且不会产生什么悖论。

 

四、总结

  综合前面的分析和研究,我们并不难看出经典力学本质上已经忽略了施力物质施力的极限速度问题,也可以说是忽略了力的作用速度问题。经典力学中力的三要素只有大小、方向、作用点。从根本上漏掉了作用速度这一个非常重要的要素。因此经典主要分析的力是一种恒力,作用速度可以无穷大,而现时中的任何物质物体对外施力都有作用速度的极限。这也是经典力学不能解释高速运动物质的物理现象的原因。因此我认为必须对经典力学进行必要的补充。

  最后我认为有理由确认作用力的第四个要素——力的作用速度。这样作用力就有:作用力大小、作用方向、作用点、作用速度四大要素了,有这四要素的力再来解释力学问题就不再出现什么困扰了。超光速运动是否存在可能决定于有否超光速传递能量的介质或工具。

  作用力的主要特点:

  1.物质的相互作用是产生一切自然现象的基础,宏观物理作用源于构成物质的微观粒子的基本作用。相互作用是一切物质的基本属性,是绝对的。

  2.物质间的作用力的大小随被作用物质物体运动状态变化而变化。也就是说运动中的相互作用力大小是不恒定的,一般只有静态的恒定。动态作用力的恒定必须是人为采取措施才能保障短暂的时间,运动速度越快越难实现。

  3.物质的相互作用才有静和动之分,而物质的质量不存在动静之分;

  4.物质施加任何作用力都有相应的空载速度。没有空载速度的力等于“0”。

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