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Jolin 真的錯了嗎?(下)
2008/02/13 21:34:06瀏覽1524|回應0|推薦7

離上一回講的內容已經過了好一陣子了,又將上回講的稱為(上),那一定是要有個(下)來做結尾了!

上回不是已經將故事交代完畢了嗎?怎麼又見(下)了呢?那是因為還沒有講完全呢!可沒有想像中的那麼完整喔!怎麼說呢?

上回我提到牛頓第一運動定律是慣性定律,雖然沒有給出「慣性」的定義,只給出「慣性」質量的平常表現(也就是不受力或者合力為零的表現)。但是為何自成一個定律呢?為何不跟牛頓第二運動定律合併,就稱一個定律就好,幹嘛那麼麻煩呢?

別急,既然能被稱為牛頓第一運動定律,自然是有其重要性,不能跟牛頓第二運動定律合併的原因,我們平常說,事物有條理,那當然是指好像有一條條的並列的規矩或東西排列著。總不會是認為就只有一條,或是一個,這樣算是有條理嗎?跟我們想的有點不一樣吧…

那就是了!所以,牛頓第一運動定律雖然沒有定義出「慣性」或是「質量」這樣的概念,但卻定義出「慣性座標系」這樣的東西。

「什麼?這樣就定義出慣性座標系?怎麼不見『座標系』這三個字在定律中出現呢?」

是啊!為什麼沒有出現?也許「座標」是比較數學的語言,應該是問數學家可能有比較好的答案吧…(題外話,一般人總以為『座標』與『坐標』通用,連字典也是如此,可是我偏愛使用筆劃較多的『座標』,why?因為那是「座位的標記」的意思,有座位,不代表一定要用坐的吧?我可以蹲在我的位置上嗎?)

座標:是用來描述位置的一個或一組數字,通常會配予單位,對於我們生活的空間,配予的數字,就要有三個才夠,而且三個也就足夠了,所以我們說我們所處在的空間是三度、三維空間或3D空間。

那麼,什麼叫做座標系呢?系就是系列,用這種方式描述空間位置的辦法,也不是只有一種,因為凡是講到座標,就要先問問,原點在哪裡?也就是基準點或標準點在哪裡?不過,數學的術語是應該用原點比較精確。在物理裡,原點的設定,通常都是在觀察者身處的位置,也就是定觀察者的座標為0或(0,0)或(0,0,0),然後我們依據長度的度量,方位的定位,來決定其他物體的相對座標為何。所以觀察者站的位置不同,原點位置就不一樣,定出來的描述所有物體的位置也都會跟著不一樣,只要簡單的換算關係,就可以知道甲觀察者跟乙觀察者觀察的是不是同一個物體。這一堆觀察者各自以自己為原點,都建立了各自的座標,這一堆座標互相相似,所以稱為座標系。不過也有人認為,座標是一個個的點,由這一堆點構成的集合,可以描述整個空間,這樣的集合,稱為座標系。所以…就是這樣,你們知道我說的是什麼就好了!

不過,大家都知道,東西要是有了位置的改變,也就是移動了…那麼描述起來,就比較麻煩了…要一直改變座標的數字,以便不斷地正確描述該物體的位置座標。那麼…萬一是觀察者自己在移動呢?那麼明明可能物體沒有移動,但記錄的位置座標仍然會不停的改變。而這種改變,可能讓觀察者看到該物體具有加速度呢!但是,那可能是假的。

我打個比方,各位就明白了!例如,我們站著靜止不動,我們扮演觀察者,看移動的車輛,這樣,車輛的加速度就是真的是它自己的加速度,這時,我們可以放心的說,車子有質量、也有加速度,質量乘以加速度,應該就是這輛車子所受的力吧!(嚴格講起來,是「合力」)這樣就是正確的應用牛頓第二運動定律了!

而當我們自己坐在一輛加速行駛的車子裡,去看停在路邊上的一部車,也會看見那部車子相對於我們加速運動,也有加速度,那麼這時如果用了牛頓第二運動定律,說ㄟˊ那部車有質量也有加速度耶!那…那部車不就受到了力嗎?(精確的說是「合力不為零」),可是那部車根本就是停在路邊的啊…沒有運動,哪來的力呢?(精確的說,沒有加速度,哪來的合力不為零?)

嗯…知道什麼地方作怪了嗎?那是因為觀察者要用牛頓第二運動定律時,想要用得光明正大,沒有錯誤,就要自己保持靜止或者是保持等速度運動,對於靜止或等速度運動,這兩種情況,牛頓第一運動定律說這是慣性的平常表現,所以,觀察者若是做了慣性的平常表現的行為,那可以放心的使用牛頓第二運動定律,不會有用了而怪怪的情況。

其實,這種怪怪的情況也未必跟事實一定不符合。有時,我們將加速座標系套用在慣性平常表現的物體上,會看到一些「力量」,這些不尋常的力,我們物理稱之為「假力」、「假想力」、「慣性力」、「座標力」、「虛力」或「虛擬力」等等的名詞。屙…這也不是我想要這麼多名詞,是因為還沒有統一的關係,大概物理學者都沒有認為這是一個必須要統一的名詞吧!

總之,就是非真實的力。那麼,生活中哪些力量是假力呢?嗯…一般來說,我們坐公車或捷運時,車廂剛剛起步或者是煞車,乘客都會向後仰或向前傾的情況,我們並不會認為我們受了什麼力,而車外的行人也不會認為我們受到什麼力,但是,這裡就可以說,身為乘客的我們受了假力。另外,像是「離心力」也是假力的一種,因為旋轉座標而看到的假力,但是,你們一定覺得怎會是假的呢?很真的啊!會把人或東西摔出來呢!但是,這用得有語病,通常說看到假力的,應該是加速觀察者,而不是靜止觀察者。但是站在洗衣機旁靜止的我們,卻常常說洗衣機利用離心力將衣物的水分脫去…要這樣說的話,應該是正在脫水中的衣服或者是水滴吧…可惜他們不會講話…

另外一個假力,則是我們任何靜止的地面觀察者都可以說的了!那就是造成颱風跟颶風的科氏力。科氏力是因為我們隨著地球自轉,而看見的假力。所以,我們以為我們靜止在地面,事實上,這個以為靜止的地面,正飛快的繞地球一圈唷!以在台灣的我們來說,地面正以每秒兩百多公尺的速率在轉動呢!所以,面對地球大尺度的氣流現象,考慮的力,就必須包含科氏力這個假力進來。

說到這裡,其實,各位可能覺得很難吧…那怎麼才知道自己有沒有加速運動呢?好像有時可以當成靜止,有時又要考慮地球自轉。嗯…其實,幸好牛頓還給了我們第三運動定律啊!要知道自己有沒有加速運動,是慣性座標系的觀察者還是加速座標系的觀察者,可以靠這個定律來幫我們決定唷!

怎麼決定啊?牛頓第三運動定律怎麼說的呢?當A施給B一作用力,則B必反施給A一作用力,此二力互為反作用力,兩力大小相等、方向相反、作用在同一直線上,作用在不同的物體上,不可抵銷,同時產生、同時消失。我想,各位如果對國中的理化教材有印象的話,大概能說出跟我上列一樣的特徵,各位的物理老師或理化老師就認為你們已經很完整的說明了!

可是,我可要告訴你們!還要多一個特徵:此二力之種類相同。何謂種類相同?就是,你是以接觸方式推力給我,我就還給妳接觸的推力;你給我電力排斥我,我就給你電力排斥你;你給我萬有引力吸引我,我就給你萬有引力吸引你!這才符合「以眼還眼 以牙還牙」或者「以彼之道還施彼身」的說法啊!

由於這個重要的特徵,我們可以依此來認定,該力是否為假力,只要它存在有反作用力,那麼它就是真實的力;反之,就是假力。所以,像離心力、科氏力都沒有反作用力,所以都是假力。

巧妙吧!有了牛頓第二運動定律關於力與質量的定義,還要靠牛頓第三運動定律,才能給出真力的定義!順便也給出了假力的判準呢!

( 知識學習科學百科 )
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引用
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