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2025/01/07 05:23:12瀏覽11|回應0|推薦0 | |
上一篇敘述經由黏土撞擊實驗得到動能的公式直力×距離=1/2質量 ×速度2。如何理解動能的意義呢?從公式可以得出速度越高動能越大。當速度為0,就沒有動能。所以動能應該是驅動物體運動的因素。 按照萊布尼茲原始的想法,動能是一種活力。物體運動時需要活力。沒有活力,物體就只能靜止。這個想法有很大的缺陷。這樣的活力概念同樣也適用於動量。不只如此,速率多次方的函數都能滿足活力的觀念。因此活力的概念過於空泛,不能作為動能的意義。 要理解動能,必須區別動能與動量觀念上的差異。 想像有甲乙兩個球,質量相等。相對於兩者的質量中心,甲球與乙球都處在靜止狀態。兩者的動量為0,動能也為0。將甲乙兩球看成一個群體。群體的總動量為0,總動能也為0。現在將兩球同時向質量中心以每秒1公尺的速度運動。甲乙兩球各自都有動量,值相等但是方向相反。群體總動量為0,與兩者靜止時一樣。兩個球也有相等的動能。依照一般對動能的理解,總動能是兩個球的動能相加,大於0。與靜止時不一樣。 想像一種情況。在一個沒有重力的地方有一個靜止的容器。這個容器的透明度會隨著不同頻率光照變化。一開始這個容器完全不透明。對於觀察者來說,這個容器的動能是0。然後調整光線的頻率讓容器變成透明。發現容器中懸浮著一個靜止的透明球。球內有許多很小的彈性球在運動。這些小球不時的互相彈性碰撞。每一個小球都有動量。動量會互相抵消,總動量為0。每一個小球也有動能。依據前述的群體動能觀念,動能相加,不會抵銷。這個容器的動能顯然不是0。到底這個容器的動能應該是什麼? 再想像一個盆裝滿了水。盆本身對於觀察者是靜止的。這個裝水的盆動能看起來是0。然而事實上看起來是靜止的水內中充滿了水分子。這些水分子都在運動,都有動能。這個連盆帶水的動能還是0麼?更有趣的是如何測量水的能量?用溫度計。水溫越高水分子的總動能越大。可是溫度計不是測量熱能的麼?動能與熱能的關係是什麼? 再想像一個充滿氣的車胎。車胎本身對於觀察者是靜止的,看起來動能是0。然而事實上看起來是靜止的車胎中的氣體分子在快速運動。自然都有動能。那這個車胎有動能麼?怎麼測量車胎內氣體的動能呢?用氣壓計。氣壓越高動能越大。 前述三個狀況到底應該如何理解?要解答這個問題,就得深入理解什麼是動能。當物體由許多部件組成,而各部件各自在運動,如何決定動能?上面採用一般對動能的理解於群體動能會產生兩個不同的答案。很顯然是錯的。如何解決? 正確的理解是物體的動能應該與動量一致,由物體質量中心的運動速度決定。物體內部各部件的運動不是對於觀察者而是對於質量中心的相對運動。這些運動的動能並不計入物體的動能,而是計入物體內在的能量。物體內在的能量稱為靜能(rest energy)。靜能不因觀察者而變,不是相對量。而物體內各部件相對於質量中心的運動所產生的動量必然互相抵消成為0,所以物體沒有內在的動量。 上面三個例子,無論容器、盆子、或車胎的動能都是0。這個理解同樣適用於原粒子及群體。由於物體由原粒子組成,除了原粒子外全都可以看成群體。這個對動能的理解適用於所有的物體。 有了群體動能的定義,現在可以解答在第三篇討論的宇宙總能量問題。前面已經說明宇宙群體的真實速度為0。那麼宇宙群體的動量與動能都是0。宇宙總能量是宇宙群體的靜能。在沒有重力也不考慮電磁場的條件下,宇宙群體的靜能是所有構成群體的物體的能量。而每一個物體的能量又是物體的動能加上物體的靜能。而物體的靜能又是構成物體部件的物體的能量。這樣一層層算下去,直到原粒子,再一層層彙總相加,就可以得到宇宙總能量。 |
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