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崩溃中的牛顿力学:力的平行四边形法则的由来与谬误

(2010-02-06 17:34:39)
标签:

细绳

平行四边形

定滑轮

牛顿

分类: 挑战科学

力的平行四边形法则是对力的矢量最好地主观表示,然而,在现实的物理实验中要想证明力的平行四边形法则却是极其困难的事情。比如,将一个具有确切方向的合力(主观地)分解成两个分力很容易,但要是用实验证明两个分力合成一个合力根本做不到。有人会说,这有何难?用垂直起落的鹞式喷气机,一个喷气口向下吹,另一个喷气口向后吹,战斗机不就行了嘛。如果两个喷气口喷的动力一样大时,鹞式喷气机就会向45°角的斜上方飞行了。可实际上是不可能的事情,因为向下的力必须先要克服飞机的重力及向上的空气阻力,而水平方向的力只需克服水平方向上的空气阻力。又有人会说,如果都在地面上不就得了。我不知道是否有人会设计这样的汽车,一个喷气口向正东,另一个喷气口向正南,则汽车就会奔驰在西北方向上的公路上。

那么,力的分解法则又是怎么主观得来的呢?看看正交分解法就明白是怎么一回事了。数学家笛卡尔为了便于精确描述物体在空间的位置,发明了平面和立体坐标系,分别用X轴与Y轴表示平面坐标系,用X轴、Y轴及Z轴表示立体坐标系。力的分解法则就是依据运用X轴与Y轴表示空间的任何线段而来的,只是力的分解具有矢量性。为了更具普遍性,故将正交法则推广到了平行四边形法则,所以力的平行四边形法则在没有任何实验基础的情况下轻而易举的从数学体系完全落实到牛顿力学当中,并误以为是通过物理实验而获得的详实数据。其实,这只是纯粹抽象地运用数学公式予以表现物理的结果。

下面举两个实例来具体说明一下吧。

甲题所示,AOBOCO三根绳子悬挂一个重力为G的电灯(C点为电灯),CO线绳中拉力F=G,在这个力的作用下将AOBO两绳绷紧,沿AOBO两个方向拉绳,因此需把力F沿AO(与左侧天花板形成α角)、BO(与右侧墙壁水平拉直)两个方向分解成F1F2

标准答案:F1=G/sinαF2=Gctgα。

乙题所示,用细绳悬挂一靠在光滑竖起墙上的小球,在小球重力(G)作用下一方面拉紧细绳,另一方面又压紧墙面,所以应把小球的重力沿着细绳方向和垂直墙面方向分解成两个分力F1F2

标准答案:F1=G/cosα(α是细绳与垂直墙面之间的夹角);F2=Gtgα。

这两道题都是力的平行四边形法则所得出的标准答案。然而,……

如果我们把甲题中的BO线改成木质长条硬物,并在O点处安装一个定滑轮,AO细线与CO相连穿过O点定滑轮,由于细绳的拉力处处相等,则AO线的拉力F1=G;同理,将AO改成木质长条硬物且与天花板形成α角,在O点处安装一个定滑轮,BO细绳与CO电灯直接相连穿过O点定滑轮时,BOCO连线的拉力处处相等,则BO线的拉力F2=G。则F1=F2=G。说明F1F2细绳拉力的大小与天花板和墙壁的角度无关,只与电灯(G)的重力有关。

让我们再来分析一下乙题中悬挂小球的细线的拉力F1及小球对墙壁的压力F2吧。细线的长短可以改变细线与光滑墙壁的角度,然而并不影响细线拉力与小球重力相等,即F1=G。同理,小球对墙壁的压力也不会因细线与墙壁夹角的变化而变化,即F2=G。乙题同样说明了细绳的拉力与墙壁的压力与细绳与墙壁的夹角无关,只与小球的重量有关。

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