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重新认识和定义“重力加速度”

(2011-03-21 23:09:28)
标签:

重力加速度

万有引力

重力公式

新学术观点

科学创新与新知

质量场密度

分类: 万有引力问题探索

重新认识和定义“重力加速度”

马海飞

(http://blog.sina.com.cn/gfis 2011321)

在经典力学理论中,“重力加速度”是被这样定义的:重力加速度(Gravitational acceleration)是一个物体受重力作用的情况下所具有的加速度。(见http://zh.wikipedia.org/zh-tw/重力加速度)。这个定义显然是以“重力是一种导致物体运动的作用力”为前提做出的。也就是说,这个定义认为,重力加速度与重力之间的因果关系是先有力,后有加速度。重力是产生重力加速度的原因,重力加速度是由重力所产生出来的一个结果。这与牛顿第二运动定律中的a=F/m的思路是一样的:一个质量为m的物体在一个外力F的作用下产生运动时所出现的加速度a就是物体受力的结果。然而,我们知道,在经典力学中,作用力与重力始终是分别对待的。因此而出现惯性质量与引力质量两个不同的概念。可是,人们在实际的研究结果中发现,惯性质量与引力质量实际上是一样的。所不同的是,针对同一个物体m而言,在惯性运动中,如果物体不受外力作用就不会有加速度a。只有当物体受到一个外力F的作用后,物体才会产生出一个加速度a。而在“引力”(自由落体)运动中,即使不存在任何外力的作用,重力加速度g依然存在。在重力加速度公式g=GM/r2中只有一个物体M存在,并没有物体与物体之间的相互关系,也不涉及到任何外力和运动。在惯性运动中,物体运动的加速度a是由外力决定的,但是在引力运动中,加速度g是无法通过改变外力的方式来改变它的。所以,惯性运动与引力运动是两种完全不同的运动形式。惯性运动是一个由外力产生加速度的过程,而引力运动则是一个由加速度产生重力的过程。二者必须分别对待的主要原因就在于这种完全相反的力与加速度之间的因果关系上。所以,我们在理解重力加速度的时候必须要首先知道,重力加速度不是由外力产生出来的。重力加速度在重力出现之前就已经决定好了。

那么重力加速度是由什么来决定的呢?为了便于理解,我们可以比较一下声音的传播速度。众所周知,声音的传播速度不是由声音的大小(能量)决定的,而是由介质决定的。在各种不同的介质中,声音的传播速度相对于一定的介质来说总是固定不变的,与声音的大小无关。如果我们要改变声音的传播速度,唯一的方法就是改变介质。这与惯性运动中只要增加外力的大小就可以增加物体运动速度的现象完全不同。所以,声音的传播方式与惯性运动的方式是完全不同的。其实,重力加速度就和声音速度的道理是一样的,它是由一种特殊的介质决定的。改变重力加速度的唯一途径就是改变这个介质,没有任何其他的方法。那么这个介质是什么呢?这个介质就是“质量场”

质量场是物质的两个基本属性(质量与质量场)之一。质量场的特征可以用质量场密度进行数学定义:D=M/4πr2其中D是质量场密度,M是物体的质量,r是物体质心到物体以外空间中任意一个点的距离。我们以地球为例。地球的质量是M=6x1024kg。半径为r=6.4x106m。所以,地球表面的质量场密度就是:D=M/4πr2=6x1024kg/4π(6.4x106m)2 =6x1024kg/(4x3.14x4.1x1013)m2 =6x1011kg/51.496m2 =1.17x1010kg/m2。这个计算结果中得到地球表面的质量场密度为D=1.17x1010kg/m2

地球的质量场密度是由地球质量M与到地心的距离r决定的。同样月球的质量场密度就是由月球质量M与到月心的距离r决定的。任何物体的质量场密度都是由那个物体的质量M与到达那个物体质心的距离r决定的。即:D=M/4πr2在静止状态下,质量场密度只与主体的这两个因素(Mr)有关,与任何其他因素都没有关系。也就是说,月亮的存在与地球的质量场密度无关。苹果的存在与地球的质量场密度也无关。地球的存在与月球和苹果的质量场密度也都无关。然而,质量场密度与重力加速度却密切相关。它们之间的关系是:g=GmD其中g是重力加速度,Gm是一个常数。Gm=8.38x10-10m3/kg·s2。通过这个关系式我们就很容易计算出任何物体表面的重力加速度了。例如,因为地球表面的质量场密度为:D=1.17x1010kg/m2,所以,地球表面的重力加速度就是:g=GmD =(8.38x10-10m3/kg·s2)x(1.17x1010kg/m2)=9.8m/s2。可以用同样的方法计算任何物体表面的重力加速度。例如计算月球表面或者苹果表面的重力加速度。

那么这个重力加速度的意义是什么呢?它所表示的意义是:一个物体(例如地球)表面的质量场是另一个物体(例如苹果)自由落体运动的介质。这个介质的密度决定了重力加速度的大小。因此,无论这个自由下落物体是苹果还是铅球,甚至是月球,只要在相同质量场密度条件下都必定以同样的重力加速度方式运动。就像空气相对与声音一样。无论是否有声音的存在,空气的密度事先就已经决定了声音的传播速度。在地球的质量场中,无论是有还是没有其他物体的存在,重力加速度都是预先就被质量场密度已经决定好了的。质量场密度只能决定重力加速度,但是,如果没有客体的存在就不会表现出重力来。重力的产生还是需要客体质量m的参与。所以,重力的大小等于客体质量m与重力加速度g的乘积,即F=mg

经过以上分析和解释,我们可以确切地说,经典力学中对重力加速度的定义在加速度与力之间的因果关系上是错误的。因此,我们有必要对重力加速度重新定义。在此,本人建议这样来定义重力加速度:重力加速度是物体的质量场密度在运动力学上的一种表现形式。它与质量场密度的数学关系是g=GmDg是重力加速度,Gm=8.38x10-10m3/kg·s2是一个常数,D是质量场密度。任何一个物体在另一个物体质量场密度为D的质量场中所具有的重力加速度都是g=GmD根据这个定义,重力加速度不再是那个运动物体的物理特性,而是由运动物体所在的质量场的质量场密度所表现出来的一个物理特性。例如,一个苹果在地球表面的重力加速度不是苹果的运动特性,而是地球质量场密度所产生出来的特性。由于这个特性是由地球而不是苹果产生的,所以,不仅仅是苹果,所有的物体在同一位置上的重力加速度都是一样的。也就是说,F=mg中的重力加速度g不再是物体运动所产生出来的加速度,而是一个决定物体运动状态的加速。从这一点讲,本文中的g与经典理论中的g在概念和定义上完全不同。所以,当我们说“苹果在自由下落的过程中的重力加速度为g”的时候,这个g所表示的并不是苹果的运动状态,而是苹果所在的那个质量场的密度特性。那是地球质量以及与地心之间距离有关的特性。这一点必须明确。不能与经典理论中的g混为一谈。

使用这个重新定义后的重力加速度概念可以很容易解释很多物理现象。例如,为什么不同质量物体的自由落体运动速度相同?是否有惯性质量与引力质量存在?惯性运动与引力运动之间的本质不同和内在联系是什么?为什么万有引力计算公式中会出现平方反比定律?等等,等等。

关于“万有引力”的本质和现象的产生原因现在基本上已经很明确了。可以说它本身不再是一个问题。现在的问题是如何让人们从传统的观念中走出来,使用一套新的思想来理解它。其中的一些新定义也许还需要进一步完善。

本文引用地址:http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100s0cp.html

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