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物理的感悟:(九)力學的物質
2024/10/05 07:09:15瀏覽8|回應0|推薦0

物質是所有的東西。大至星球,小至電子,甚至電磁場、重力場,都是物質。各種物質分布在空間中。

力學所處理的物質主要是物體及重力場。力學的物體是平常所見到的東西。從小至一粒灰塵大到一個星球都是物體。然而這種說法太含糊了。要理解什麼是物體,必須要有更清晰的觀念。

什麼是物體?在力學中凡是與物體有關的定律必然有質量。由此確定,所有力學稱為物體的都必須有質量。這就排除了光、電、磁等看起來沒有實體的物質。但是這不排除電力、磁力等作用到物體的力。一個帶電的物體,受到電力的作用,仍然會依照力學的定律改變速度。

第二個問題是:水、空氣等液體與氣體算不算物體?很明顯的,如果用桶子裝了一桶水,這整桶水的行為符合力學的定律,應該算做物體。然而丟一塊石頭到水裡,產生一圈圈水波,向外擴散,這不屬於一般力學的範圍,而是流體力學的範圍,力學範圍之外。因此,只有符合力學定律的物質才算物體。也就是說,物質可以有各種行為。當物質的行為符合力學定律,就視為物體。當物質的行為不在力學定律範圍之內,就不視為物體。

物體是可以計算數量的。許多個物體集合起來稱為群體。譬如說有一群鳥。每隻鳥是一個物體,所有的鳥是一個群體。群體是可以拆開的。一群鳥可以任意分成兩群,三群,甚至分成每一群只含一隻鳥。群體也可以合併。兩群鳥可以合併成一群。群體的觀念就像數學集合論中的集合。

物體與群體的區分其實並不嚴格。譬如說一輛車應該算物體吧。然而車子由引擎、座椅、輪胎等部件所組成。如果將每一個部件看作一個物體,那車子就是一個群體。每一個部件還可以繼續分拆,該算做物體還是群體。更進一步說,一條木棍該是物體吧。然而木棍可以切斷成為兩個物體,那木棍算群體麼?如果沒有實際切斷,只在觀念上分成兩段,又應該算做群體還是物體?要看實際的狀況的需要來決定。

力學的物體具有質量。任何一個物體分散成為一群物體,或任何一群物體組合成為一個物體,物體的質量與群體的總質量相同。無論各個物體如何運動,總質量守恆

在觀念上粒子是最小的物體。傳統力學的粒子是完全理想化的觀念。粒子的體積為0,只佔空間的一個點,卻有質量。這種粒子稱為點粒子。點粒子這個觀念有嚴重缺陷。最嚴重的是當兩個點粒子愈來愈靠近時,兩者之間的重力趨向無限大。違反了前篇所說的有限原則,所以摒棄不用。

一個比較好的粒子觀念是參考原子。如果一個物體不斷的分拆,最終會到達不能分拆的形態,稱為粒子。粒子具有體積與質量。粒子體積很小,質量集中在所佔據空間的幾何中心一個極小的圓球內。粒子既然是最小物體,必然有內在的力量抵抗外力,可能被壓縮但是不會塌陷。這樣的粒子稱為原粒子。任何一個物體都可以看成由原粒子組成的群體。

關於物體有一個很重要的物理觀念,就是質量中心。任何物體都有質量中心。原粒子的質量中心就在它的中心點。對於由多個原粒子組成的物體,將每一個原粒子的質量乘以這個點到原粒子的相對位置,再相加,最後除以物體的質量,結果如果是0,這個點就是物體的質量中心。公式是:
(質量1×相對位置1+...+質量n×相對位置n)÷(質量1>+...+質量n)=0
相對位置是向量,上述的運算是向量運算

一個群體的質量中心也是空間的一個點,將群體中的每一個物體質量乘以這個點到物體質量中心的相對位置,再相加,最後除以群體的總質量,結果如果是0,這個點就是群體的質量中心。

群體的質量中心有一個很重要的性質。無論群體中的個體如何運動,甚至互相撞擊,只要沒有外力施予任何一個個體,群體的質量中心符合慣性定律,會以等速前進。

一個觀察者如何找到物體的質量中心呢?觀察者可以以自己為原點。將物體看成一群原粒子,質量中心的方位可以用公式:
質量中心位置=(質量1×相對位置1+...+質量n×相對位置n)÷物體質量
計算。公式中的位置是原點到每一個原粒子的相對位置。無論觀察者在空間的什麼位置,用這條公式計算出的質量中心是同一點。計算群體的公式是同一條,只是用原點到每一個物體質量中心的相對位置當作公式裡的相對位置。

找群體的質量中心方法類似。相對位置是觀察者對每一個物體質量中心的相對位置。公式:
質量中心位置=(質量1×相對位置1+...+質量n×相對位置n)÷群體質量

那力學的宇宙有沒有質量中心呢?依據有限原則,宇宙中所有的物體數量有限。將空間中所有的物體當成一個群體,稱為宇宙群體。由於質量守恆,宇宙群體的總質量不變。這就是宇宙的總質量。雖然總質量不變。物體的分布在空間中可以隨時間改變。在每一個時刻,宇宙群體都會有一個質量中心。宇宙群體質量中心的位置是可觀察、可計算的。由於宇宙群體包括了所有的物體,不可能有外力。其質量中心的運動依從真實慣性定律,在時空中的軌跡是一條直線。

前文提過宇宙空間有靜止參考系。宇宙群體的質量中心可不可以成為靜止參考系呢?下一篇會有詳細解說。

( 知識學習科學百科 )
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