在一個(gè)平動(dòng)加速的非慣性參照系中,一個(gè)粒子將感受到一個(gè)與加速度的方向相反的慣性力。慣性力是為了在非慣性系中能夠使用牛頓運(yùn)動(dòng)定律討論粒子受力運(yùn)動(dòng)而引入的假想的力,不存在施力物體,沒(méi)有反作用力的概念。
在討論相對(duì)性原理的問(wèn)題中,我們論證了慣性參照系的等價(jià)性:在運(yùn)用自然定律的時(shí)候,無(wú)需理會(huì)一個(gè)參照系是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng),自然規(guī)律適用于所有相對(duì)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,我們還會(huì)經(jīng)常與非慣性參照系打交道。在不同的非慣性參照系中,自然規(guī)律會(huì)表現(xiàn)出不同的形式。最常見的非慣性參照系是加速啟動(dòng)的車輛 (將大地當(dāng)作慣性系),這一類參照系的特點(diǎn)是,它們相對(duì)于某個(gè)慣性系作平動(dòng)加速。平動(dòng)加速有兩種可能的運(yùn)動(dòng)方式:第一種運(yùn)動(dòng)方式是,非慣性系只沿著某個(gè)確定的方向加速,即參照系沿直軌道運(yùn)動(dòng);第二種運(yùn)動(dòng)方式是,非慣性系沿任意形狀的彎曲軌道運(yùn)動(dòng),但是,固聯(lián)于該非慣性系中的任意一條直線相對(duì)于慣性系沒(méi)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)做平動(dòng)加速的參照系中,觀測(cè)者將會(huì)感受到一個(gè)與參照系的加速度有關(guān)的力,被稱為慣性力。 考慮一個(gè)參照系 相對(duì)于慣性系 做加速度為 的平動(dòng)加速運(yùn)動(dòng),在這兩個(gè)參照系中觀測(cè)一個(gè)粒子在空間中運(yùn)動(dòng)。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)變換關(guān)系,在 中觀測(cè)到的粒子的加速度 與在 中觀測(cè)到的加速度 之間有以下變換關(guān)系:假定粒子的質(zhì)量是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的常量:,由加速度的變換關(guān)系可以得到:由于參照系 是慣性系,牛頓運(yùn)動(dòng)定律在該參照系中成立:,因此:我們看到,在參照系 中,牛頓運(yùn)動(dòng)定律不再成立。比通常的牛頓運(yùn)動(dòng)定律多出的一項(xiàng) 被稱為慣性力,用 表示。引入慣性力的概念后,在非慣性系中,粒子受力運(yùn)動(dòng)遵守以下規(guī)律:形式上與慣性系中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律相同。 慣性力并不是由粒子之間進(jìn)行相互作用帶來(lái)的力,而是在非慣性系中的觀測(cè)者假想的力。引入了這個(gè)假想的慣性力之后,我們就可以在非慣性系中繼續(xù)使用牛頓運(yùn)動(dòng)定律來(lái)處理粒子之間的相互作用和運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。當(dāng)我們?cè)诜菓T性系中處理粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí),由相互作用帶來(lái)的力存在施力物體和受力物體,因而存在作用力和反作用力,而慣性力則不存在施力物體,也就不存在反作用力。 體驗(yàn)慣性力最常見的環(huán)境是加速前進(jìn)或減速剎車的汽車和加速啟動(dòng)或減速停機(jī)的電梯,這兩個(gè)例子大家在中學(xué)時(shí)期就已經(jīng)熟悉,并且在日常生活中不斷會(huì)遇到,無(wú)需在這里多做描寫。我們來(lái)討論一個(gè)在日常生活中慣性力每時(shí)每刻都存在,但是我們卻從來(lái)不曾意識(shí)到的例子。 設(shè)想在地面上緯度為 的某處有一個(gè)質(zhì)量為 的靜止的粒子,這個(gè)粒子將受到地球?qū)λ娜f(wàn)有引力,即地心吸引力,或者通俗地說(shuō)是重力:公式中 是引力常量, 是地球的半徑, 是地球的質(zhì)量, 是地球表面上的重力加速度, 是由地心指向粒子方向的單位矢量。另一方面,粒子隨地球自轉(zhuǎn)而繞著地球自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),在地心參照系中看,固聯(lián)于這個(gè)粒子的參照系有一個(gè)垂直地指向自轉(zhuǎn)軸的向心加速度,是一個(gè)非慣性參照系。在這個(gè)非慣性系上看,粒子將受到一個(gè)背離向心加速度的慣性離心力:公式中 是地球自轉(zhuǎn)的角速度, 是在地球表面上粒子所在位置處沿經(jīng)線方向的切向單位矢量。由此得到,在地面實(shí)驗(yàn)室 (非慣性系) 中測(cè)得的粒子的表觀重力:這個(gè)表觀重力的數(shù)值就表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的重量:利用有關(guān)地球的一些基本數(shù)據(jù):不難論證,慣性離心力的數(shù)值比重力的數(shù)值小得多:于是,在重量的開平方根號(hào)內(nèi)的最后一項(xiàng)是一個(gè)二級(jí)小量,將其忽略;由于第二項(xiàng)是一個(gè)一級(jí)小量,因此,將根式做泰勒展開并只保留一級(jí)小量,表觀重力的數(shù)值近似為表觀重力的方向與地心方向的偏角可以通過(guò)正弦定理近似地得到:上述結(jié)果是考慮地球是一個(gè)純正的球體而得到的理論結(jié)果。實(shí)際上,由于自轉(zhuǎn)效應(yīng),地球并不是一個(gè)完美的球體,而是一個(gè)兩極扁平,赤道凸起的扁球體。由此帶來(lái)的修正結(jié)果是將重量的近似表達(dá)式中的 291 改為 191。
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