在這個視頻中, 我將進一步討論牛頓第一運動定律
這是牛頓以拉丁文寫成的原理的英文譯本
第一定律: 任何物體有保持靜止狀態的性質
除了受到外力的作用, 物體總是保持靜址或勻速
直線運動的狀態
換言之, 物體總是保持靜止或
以常速運動, 除非存在外力 (特別是非平衡力) 來
改變它的運動狀態
我接下來會作出解釋
如果物體靜止, 完全靜止
有一個 ... 我們之前就遇過 ... 設有一顆石頭
石頭放在草地上
我緊緊的盯著它, 它不可能自然地動起來, 假設甚麼都沒有發生
如果無外力作用到石頭上, 它會保持靜止
所以第一部分挺明顯的: 所有物體保持靜止的狀態
除了考慮外力作用以, 我現在不打算分析第二部分
顯然, 石頭將靜止不動, 除非有外力作用在它身上 ...
除非有人試圖推動它或使它滾動或者對它施加任何動作
而第一定律的第二部分看起來比較不直觀
所有物體要不保持靜止或者勻速直線運動
除非有外力去改變它的運動狀態.
這就是牛頓第一定律. 我應該在這裡加上註解
這位是牛頓
但如果這是牛頓第一定律, 為甚麼我要特寫這位紳仕?
原因是牛頓第一定律不過是牛頓對他的慣性定律所作出的重新描述而矣
這位紳仕就是伽利略, 另一位文明的巨人.
他是第一位將慣性定律量化的人
而牛頓不過是重新描述這個定律並把它跟他提出的其它律歸納起來而矣
但他卻完成了許許多多的其它工作
因此, 牛頓第一定律應該歸功於伽利略.
這也是為甚麼我給他特寫的原因.
我也在思考中
我們明白如果物體靜止, 除非受到力的作用, 它會一直處於靜止.
有些定義這樣寫道: 除非存在非平衡力 ...
之所以說 "非平衡" 的原因是作用到
一個物體的兩個力可能相互平衡
例如, 我可以在石頭的一邊以一定大小的力推動它
同時, 也可以在另一邊以相同大小的力來推動它以使它靜止不動
使它運動的唯一方法就是使一邊的力另一邊的力來得大
這樣的合力就是非平衡力
如果有大量 ... 也許石頭不是好的例子
讓我們以冰為例子, 因為冰比較容易移動
或者在冰面上的冰塊
設這裡是冰面, 上面有一個靜止的冰塊
我們又看到這個熟悉的概念: 如果沒有力的作用, 冰塊不會運動
但是如果我在這邊以一定大小的力來推動它, 你在
另一邊以相同大小的力來推它, 會發生甚麼事?
冰塊還是不動
這就是平衡力
一個平衡力
因此, 使冰塊改變(靜止)狀態的唯一方法就是加上非平衡力
如果我們在這邊施加的加比另一邊多一點
冰塊就會開始運動, 沿那個方向加速運動.
我想這部分是很顯然的: 靜止的物體在不受非衡力
時保持靜止
但是對勻速直線運動的部分卻不是那麼直觀
換一種方式來講, 物體以一定的常速運動
不變的速度
他說的是以常速運動的物體將以相同的速度來維持運動
除非受到非平衡力的作用
這看起來不是十分直觀, 因為在我們的經驗中
即使我推動這個冰塊, 它最終還是會停下來
即使冰面無限長, 它也不會永遠地運動下去
冰塊最終會停下來. 又或者, 如果我拋出一個網球, 它最終會停下來.
它最終會慢慢停下來. 又或者如果我滾動一個保齡球或者任何東西
根据我們的經驗, 這些物體最終會停下來
非常不直觀的是: 運動中的物體會無限地運動下去
由我們的直覺出發, 如果想要維持物體一直運動下去
就要持續地施力, 持續地將能量加到物體上使它運動
汽車不會永遠地運動下去除非引擎不斷地燃燒汽油來提供驅動它運動的能量
那麼, 他們的理論是甚麼意思呢?
嗯 ... 在所有這些例子中, 物體會永遠地運動下去
這正他們幾位學者的卓越遠見的體現
球將永遠地運動下去, 這個冰塊會永遠地運動下去
除非存在非平衡力使它們停下來
對冰塊的情況, 雖然摩擦力很小
這是兩者之間的摩擦力
所以在這個情況中, 摩擦力實際上
在抵抗冰塊的運動
而摩擦力實際上來源於原子間的力
冰塊的晶體結構中是大量的水分子
而這裡, 晶體結構中的水份子在冰塊的海洋中運動
它們彼此在對方中迂迴運動
雖然它們都很光滑, 但還是存在瑕疵
他們相互碰撞和摩擦, 產生小量的熱
結果使得物體的運動受阻礙
因此, 這裡的摩擦力使物體停下來
而且不只是摩擦力, 還有空氣阻力
冰塊運動時會撞向空氣中的粒子中
開始時這也許微不足道, 但它是阻止它永遠地運動下去的一個原因
拋向空中的球也有相似的情況
顯然, 因為重力的作用, 它會落到地面上, 因此有一個力作用到它身上
但即使當它下落到地面上, 因為摩擦力的作用, 它不會永遠地滾動下去
要知道, 如果這裡換成草地, 草地會使它停下來
即使在空中, 它也會慢下來而不是保持常速運動
因為空氣中的粒子會不斷地撞擊物體
從而施加一定的力來迫使它慢下來
他們幾位的天才卓見是他們可以想像到在沒有
重力和空氣阻力的情況下
物體的運動狀態是不會被改變的
也許伽利略是精於思考的原因
他研究了星體的軌道
他的理論中設不存在空氣阻力
所以它的星體可以永遠地沿軌道運行下去
我應該說他們的速度不變, 而不是方向 (方向不斷變化)
它們的速度不會慢下來, 因為太空是真空的, 沒有東西會使星體慢下來
無論如何, 希望你和我一樣看到它的美
因為在某種情況下, 它是如此的明顯卻又是那麼的不直觀
特別是 "勻速直線運動" 這個命題
為了更清楚地解析這一點, 如果沒有重力和空氣
現在拋出一球, 球會沿那個方向永遠地運動下去
除非受到非衡力的作用使它停止
從另一個角度來看, 考慮一個日常生活中的例子
假設我在飛機上, 它以常速運動
完全沒有擾流
如果我座在飛機這裡, 飛機以常速運動
很平穩, 沒有擾流
如果不往窗外看, 我無法得知飛機到底是否在運動中
假設飛機沒有窗, 它以常速運動
沒有擾流, 而且我甚麼也聽不到
我甚麼連引擎的聲音也聽不到
這里, 我完全沒法判斷它是否在運動中
因為在我的參考系中, 它與靜止時的
情況完全一樣
這是一個直觀的例子, 可以用來解析常速運動
和靜止這兩種狀態實際上是等價的
你無法區別兩者之一