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非慣性參照系[非慣性參照系]

 天朗氣清uizw04 2021-05-06
慣性力(inertial force)是指質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量乘以加速度矢量并冠以負(fù)號(hào)稱(chēng)為質(zhì)點(diǎn)的慣性力。以 F表示, F=-ma,慣性力的單位是牛[頓],用符號(hào)N表示。對(duì)于運(yùn)動(dòng)著的非自由質(zhì)點(diǎn),只受主動(dòng)力與約束力的作用,并無(wú)慣性力作用,引入慣性力只是為了使用達(dá)朗貝爾原理,將動(dòng)力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問(wèn)題。慣性力是虛構(gòu)的,因此有人認(rèn)為只能稱(chēng)它為慣性矢量。但確有大小及方向等于-ma的力存在,不過(guò)它不作用在所討論的質(zhì)點(diǎn)上,而是作用在使質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生加速度的物體上。如人推質(zhì)量為m的小車(chē),使其具有加速度 a,則人所施的力為 F=ma,而人則受到小車(chē)所給的反作用力為-ma,人正是通過(guò)這個(gè)力感覺(jué)到小車(chē)慣性的存在。慣性力與非慣性系中的牽連慣性力 F=-ma與科氏慣性力F=-ma有相同之處,即它們都作用在質(zhì)點(diǎn)上卻找不著施力者。但亦有不同,即牽連慣性力與科氏慣性力在動(dòng)坐標(biāo)系中是真實(shí)存在的力,且大小和方向與所選的動(dòng)坐標(biāo)系有關(guān)。為區(qū)別起見(jiàn),常將 F=-ma稱(chēng)為達(dá)朗貝爾慣性力。
經(jīng)典力學(xué)對(duì)力定義相當(dāng)簡(jiǎn)單明了——力是物體對(duì)物體的作用。于是,人們認(rèn)為只有具備兩個(gè)或兩個(gè)以上的物體才能談力,力一定有施力物體和受力物體,這與人們的生活經(jīng)驗(yàn)相同。
如果人們坐在車(chē)上,并以車(chē)為參考系時(shí),當(dāng)車(chē)作非勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí),發(fā)現(xiàn)車(chē)上的物體作加速運(yùn)動(dòng),應(yīng)有一個(gè)力作用在物體之上。以地面為參考系來(lái)觀(guān)察,原來(lái)當(dāng)車(chē)一旦作加速運(yùn)動(dòng)時(shí),車(chē)上的物體相對(duì)于車(chē)廂作加速運(yùn)動(dòng)。如果車(chē)作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),車(chē)上物體并未運(yùn)動(dòng)而是保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),物體并未受到力的作用,找不到施力物體??梢?jiàn),在不同參考系上觀(guān)察物體的運(yùn)動(dòng),結(jié)果截然不同。
凡是牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠適用的參考系稱(chēng)為 慣性參照系(慣性系),反之,牛頓運(yùn)動(dòng)定律不適用的參考系稱(chēng)為 非慣性參考系(非慣性系)。通過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn),凡是相對(duì)地面靜止或者做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系,而相對(duì)于地面做變速運(yùn)動(dòng)的參考系是非慣性系。
牛頓擺球?qū)嶒?yàn)
一個(gè)物體在非慣性系中發(fā)生了加速運(yùn)動(dòng),卻找不到施力物體。為了適合牛頓第二定律,假設(shè)物體受到一個(gè)力的作用,這個(gè)力由物體的質(zhì)量及其加速度的乘積決定,人們認(rèn)為這不是一個(gè)真實(shí)存在的力,而是一個(gè)“ 虛構(gòu)的力”,稱(chēng)為“慣性力”。 “慣性力”大小取決于物體的加速度和質(zhì)量的大小,而物體的加速度又取決于非慣性系相對(duì)于慣性系的加速度。那么,如何通過(guò)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)找到慣性系,從而確定任意一個(gè)對(duì)象的加速度?牛頓以“水桶實(shí)驗(yàn)”來(lái)證實(shí)其可行性。當(dāng)一個(gè)盛水的水桶帶著桶里的水轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),水面會(huì)由平坦變成凹形,如果水桶停止轉(zhuǎn)動(dòng)而水未停下,水面仍會(huì)呈凹形。如果建立一個(gè)與水相對(duì)靜止的轉(zhuǎn)動(dòng)參考系,在這個(gè)參考系里水是靜止的,處于此參考系中的實(shí)驗(yàn)者會(huì)發(fā)現(xiàn),存在一個(gè)向外的力維持著水面的形狀,不讓四周的水向中心回流,于是得出結(jié)論:觀(guān)察者處于非慣性系,其中有慣性力維持水面的凹形。推而廣之,只要在某個(gè)參照系里,水靜止但水面不平坦,都可以作為非慣性系的判斷依據(jù),非慣性系中存在慣性力。牛頓認(rèn)為,參考系中若發(fā)生這種情況,說(shuō)明其是一個(gè)相對(duì)于“絕對(duì)空間”加速運(yùn)動(dòng)的參考系,通過(guò)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以測(cè)量絕對(duì)的加速度。
然而這只是一個(gè)判據(jù),尚不足以說(shuō)明慣性力從何而來(lái),曾經(jīng)遭到馬赫的強(qiáng)烈批判。后來(lái)的狹義相對(duì)論雖然否定了絕對(duì)空間,但并未解決此問(wèn)題。另一方面,愛(ài)因斯坦嘗試將萬(wàn)有引力納入狹義相對(duì)論框架遭到失敗。在馬赫原理的啟發(fā)下提出了等效原理和廣義相對(duì)性原理,取消慣性系的優(yōu)越地位,不再區(qū)分慣性系與非慣性系,所有的參考系都是等價(jià)(平權(quán))的,進(jìn)一步建立了廣義相對(duì)論。

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