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2008年6月1日 星期日

關於作用力與反作用力定律

  在關於古典力學一文中,已敘述了作用力與反作用力定律的特點:作用在物體上某一點的力與其反作用力同時存在與消失。而反作用力的產生,是物體的組成結構共同反抗外加作用力,相應而生內在作用抵抗力,是被動的而非主動的,故才會同時存在與消失。而受外力作用物體可能會發生形變[註一],而形變描述起來相當複雜,非一般物理所要考慮的情況,故常將物體做剛體假設[註二]來化簡系統。
  現在,先來了解一下所謂的外力與內力。一本放在桌上的原文書,如書本靜止,則書本不受力或是總受力為零。現在有一位老師要去拿書,如將書本看成一獨立系統,則書本總受力不為零而有運動,稱書本受力的作用而運動了!並稱此力為外力。現在如將老師納入,整個看成一系統,此時老師拿書之力,與書本的原始總受力,變成了系統的內在的作用力(內力),故稱書本不受外力。所以說,討論一個系統的受力,由Newton的第二定律知,如力的總和不為零,則稱此系統受外力作用,即V-F=mV-a。但由先前的討論知,可將外力因素與系統看成同一系統,此時的外力就變成內力,即V-F-mV-a=0。
  在研究接觸力的作用時,就常會使用到此定律。如:A與B二人相互施力給對方,A施給B的力與B給A的反作用力大小相等方向相反,同時存在同時消失。同理,B施給A的力與A給B的反作用力大小相等方向相反,也是同時存在同時消失。放在桌上的書本,在地球重力的作用下會往地心方向而動,而因為桌面反抗書本重力往下壓的反作用力,使書本可靜止在桌面上,桌面的此一反抗力一般常稱為正向力,為接觸力的一種,一但書本離開桌面,正向力立即消失。而上述在討論老師拿書時,其實已將書與地球重力合為一體,故老師施力來反抗重力,將書本拿在手上,整體看成內力系統,無外力作用。如果只看老師和書本,仍受重力這個外力作用。
  在研究場力之作用時,假設兩個靜止不動的質點,質量m1之質點1作用在質量m2之質點2上的力,方向由2指向1,記為V-F21,質點2作用在質點1 上的力,方向由1指向2,記為V-F12,顯然V-F21+V-F12=0。而此是將兩個質點看成一個系統,故其間的相互作用力為內力,所以總合力為零。而此兩個力來源不同作用不同,並不是作用力與反作用力之關係,是因為有質量的點在重力場的作用下而受力,直接受到超距力作用,故感覺起來不會產生所謂的反作用力。所以對質點而言,場力應無作用力與反作用力。而先前假設此二質點恆靜止,故一定要有其他外力拉住他們,使他們仍維持靜止。故如果在靜的狀態,不妨將這些外力勉強看成反作用力,使作用力與反作用力定律依然成立。而考慮一般剛體,重力作用只能看成外力,因反作用力此時表現在剛體之內在作用力上,所以看來仍無作用力與反作用力之概念。
  現在考慮質點1與質點2之運動情況。如m1與m2質量相當,則因吸引力作用而互相靠近,兩者都會動;如m1>> m2,則m1近似不動,m2因吸引力而向m1靠近。但由先前的討論,其相互作用是相同的,應該是等價的才是,為何質量相差很多時,反而是m1近似不動, m2因吸引力而向m1靠近。由F=ma知,即使m1加速度小,但還不至於近似可看成不動。所以,是否質點本身也會受自己的引力場作用,大大的減少其加速運動,如此看來應該是,而此在廣義相對論中將很自然的表現出來。
  此處雖討論作用力與反作用力定律,但其實就是討論力的作用。對一些日常常見之接觸力,似乎可以很自然的討論作用力與相應而生的反作用力,而對場力系統,似乎就沒有反作用力之觀念了!

註一:因外力作用,而使物質原始形狀發生改變之現象稱為形變。
註二:不因外力作用而產生形變的物體稱之為剛體。

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