二力平衡與慣性

【摘

要】很多情況下，我們都認(rèn)為靜止或勻速運(yùn)動(dòng)是平衡力維持的結(jié)果，但實(shí)際上是慣性的原因，本文通過解題的方式，透徹地描述太空失重環(huán)境和重力場(chǎng)環(huán)境中的慣性問題，從而很好地理解平衡力相當(dāng)于給我們制造了一種假的理想中的不受力的情況?！娟P(guān)鍵詞】平衡力;慣性;靜止;勻速直線運(yùn)動(dòng)例題：起重機(jī)以1m/s的速度勻速吊起一個(gè)重物，鋼絲繩對(duì)重物的拉力是6000N。若起重機(jī)吊著這個(gè)物體以2m/s的速度勻速下降，這時(shí)鋼絲繩對(duì)重物的拉力是（

）。A.12000N

B.6000NC.3000N

D.無法判定本題的答案是B，這個(gè)答案對(duì)學(xué)生來說是一種既簡(jiǎn)單又復(fù)雜的存在，簡(jiǎn)單是因?yàn)樗麄冏鲞^很多遍，老師說因?yàn)槲矬w處于平衡態(tài)，二力平衡，所以拉力等于重力等于6000N。雖然學(xué)生已經(jīng)把答案背熟了，但他們自己心理的疑問仍然有一大堆，然而迫于形勢(shì)——考試得分，不得不機(jī)械性作答。以下文章的闡述就是來解決這一類困惑的。新授課的時(shí)候，很多同學(xué)會(huì)問：老師，當(dāng)我們坐電梯時(shí)，電梯靜止的時(shí)候我們受到的重力等于支持力，你又說當(dāng)電梯勻速上升的時(shí)候我們受到的重力還等于支持力，那么我們是怎么運(yùn)動(dòng)起來的呢？這么多年的教學(xué)，幾乎每一屆的學(xué)生都會(huì)問這個(gè)問題，所以當(dāng)有學(xué)生問這個(gè)問題的時(shí)候，現(xiàn)在的我都會(huì)了然一笑——果然來了。很多時(shí)候，我不是直接回答這個(gè)問題，而是會(huì)反問學(xué)生兩個(gè)問題。反問1：你現(xiàn)在坐在椅子上處于靜止?fàn)顟B(tài)，是由于慣性，還是重力和支持力維持的結(jié)果？反問2：當(dāng)你在汽車上，隨著汽車一起做勻速直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，你是由于慣性自己在運(yùn)動(dòng)，還是汽車施力帶著你運(yùn)動(dòng)的呢？如果你對(duì)反問1的回答是“重力和支持力維持的結(jié)果”，對(duì)反問2的回答是“汽車施力帶著你運(yùn)動(dòng)的”，我能理解，因?yàn)槲覀兯幍沫h(huán)境很容易讓人忘記物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持，而力是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的這一事實(shí)了。我們通過兩個(gè)實(shí)例重現(xiàn)一下力對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。光滑的水平面上有一正在向右勻速運(yùn)動(dòng)的物體，分別受到了如圖1甲、乙、丙所示的力;光滑的水平面上正在靜止的物體，受到了如圖2a、b、c所示的力，根據(jù)受力情況判斷物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其中F1=F2。如圖1所示，甲圖中F1的作用效果是讓物體向右加速運(yùn)動(dòng);乙圖中F2的方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙了物體的運(yùn)動(dòng)，所以F2的作用效果是讓物體向右減速，注意此處是減速，不是掉頭向左運(yùn)動(dòng);丙圖中F1、F2同時(shí)作用在這個(gè)物體上，因?yàn)檫@兩個(gè)力的大小相等，所以作用效果相互抵消，物體既加不了速，也減不了速，則勻速運(yùn)動(dòng)。如圖2所示，a圖中F1的作用效果是讓物體向右運(yùn)動(dòng);b圖中F2的作用是讓物體向左運(yùn)動(dòng);c圖中F1、F2同時(shí)作用在這個(gè)物體上，因?yàn)檫@兩個(gè)力的大小相等，所以作用效果相互抵消，物體既不能向右運(yùn)動(dòng)，也不能向左運(yùn)動(dòng)，則繼續(xù)靜止。問題是，這個(gè)物體到底是由于慣性保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，還是在平衡力維持下而具有的狀態(tài)呢？也就是說我們根本擺脫不了力對(duì)我們生活和對(duì)我們思維的影響，當(dāng)正向證明無果的時(shí)候，我們通常用反向的方式來證明。因此，我們?cè)隍?yàn)證物體的慣性時(shí)，通常都是通過運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變來對(duì)比進(jìn)行的。比如驗(yàn)證靜止的物體有慣性，我們讓一個(gè)木塊靜止在小車上，突然拉動(dòng)小車，會(huì)發(fā)現(xiàn)木塊向后傾倒，因?yàn)槟緣K底部受力改變了靜止?fàn)顟B(tài)向前運(yùn)動(dòng)，而頂部由于慣性要保持原來靜止的狀態(tài)，所以出現(xiàn)后傾的現(xiàn)象，從而反證靜止的物體具有慣性，即具有保持靜止?fàn)顟B(tài)不變的能力;當(dāng)木塊隨小車一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車突然停下，則木塊向前傾倒，因?yàn)槟緣K底部受力改變了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向前減速，而頂部由于慣性要保持原來的運(yùn)動(dòng)速度不變，所以出現(xiàn)前傾的現(xiàn)象，則反證運(yùn)動(dòng)的物體具有慣性，即具有保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的能力。生活在這個(gè)時(shí)代的我們真的感到很幸運(yùn)，目前我們國(guó)家成功進(jìn)行了兩次太空課堂的授課任務(wù)，太空艙里的失重環(huán)境，能讓我們更直觀地認(rèn)識(shí)物體的慣性。比如第一次太空課堂有這樣的一個(gè)情景：聶海勝的太空打坐，王亞平?jīng)]有推他的時(shí)候，他在前后方向上是靜止的，但是當(dāng)王亞平推了他之后，他就由靜止?fàn)顟B(tài)向后運(yùn)動(dòng)起來了，而且根本停不下來，我想如果沒有太空艙艙壁的阻擋，他就會(huì)遨游太空去了，可見，聶海勝的靜止沒有力來維持，運(yùn)動(dòng)時(shí)也沒有力來維持，那是什么原因讓他或靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)呢，找不到外因就不要找了，我們定義為那是因?yàn)樗陨淼膶傩浴獞T性，是他自己具備靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。但是他從靜止到運(yùn)動(dòng)的過程中，是王亞平對(duì)他施力改變了他的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；氐降孛嫔希覀?cè)倏戳硪粋€(gè)例子：平拋運(yùn)動(dòng)與勻速直線運(yùn)動(dòng)的比較，圖3是研究平拋運(yùn)動(dòng)與水平運(yùn)動(dòng)等時(shí)性的頻閃照片。如圖3所示，離開軌道后，兩個(gè)小球都在向前運(yùn)動(dòng)，水平方向上沒有力來維持它的運(yùn)動(dòng)，那么小球的向前運(yùn)動(dòng)則是由于慣性。不同的是，上方空中的小球，一邊由于慣性向前運(yùn)動(dòng)，一邊由于重力作用下落。我們來做個(gè)假設(shè)，假如上方的小球在離開軌道的同時(shí)，受到的重力突然消失（比如到天宮一號(hào)太空艙上去了），那么還會(huì)下落嗎？毫無疑問不會(huì)，小球?qū)?huì)在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)。此時(shí)的小球由于處于失重狀態(tài)根本不會(huì)下落。再看下邊的小球，由于受到水平軌道的支持力作用，跟重力形成平衡力，抵消了重力的作用效果，即合力為零，所以雖然下方的小球仍然受力，但是它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)跟不受力的情形完全一樣，即下方的小球由于慣性在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，不需要力來維持。由此看來，當(dāng)物體受平衡力時(shí)，這些力的作用僅僅是彼此的作用效果相互抵消，就好像創(chuàng)造出了一個(gè)失重環(huán)境一樣，目的是讓物體相當(dāng)于不受力，而不是來影響或者改變物體的運(yùn)動(dòng)。那么小球是如何從靜止到運(yùn)動(dòng)的呢？與聶海勝?gòu)撵o止到運(yùn)動(dòng)時(shí)的條件一樣，小球在獲得水平方向的速度之前，也是受到了非平衡力的作用，這個(gè)力讓小球改變了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從靜止開始運(yùn)動(dòng)，從而到離開軌道時(shí)獲得了一定的初速度。2A6D48F3-B6E9-4858-A24A-77A9CE883EA3現(xiàn)在我們來回答反問1，當(dāng)我們坐在位置上受到重力和支持力的作用靜止時(shí)，這兩個(gè)力彼此平衡，作用效果互相抵消，讓我們相當(dāng)于不受力，就好像給我們創(chuàng)造了一個(gè)理想的失重環(huán)境，而我們是由于慣性保持靜止?fàn)顟B(tài)。再來回答反問2，當(dāng)人隨汽車一起做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，人的運(yùn)動(dòng)就像上述平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中下方的小球一樣。汽車之于人的作用和水平軌道之于水平運(yùn)動(dòng)的小球的作用是一樣的，汽車給我們的支持力克服了重力的作用，支持力和重力的作用效果相互抵消，讓我們好像不受重力，人的運(yùn)動(dòng)情形就跟在失重環(huán)境下的太空艙中一樣，不需要汽車施力來維持我們的運(yùn)動(dòng)，我們是由于慣性在做勻速直線運(yùn)動(dòng)。那么我們是怎么從靜止動(dòng)起來的呢？太空中的聶海勝，平拋運(yùn)動(dòng)中的小球，他們從靜止到運(yùn)動(dòng)，都受了非平衡力的作用，那么我們從靜止到運(yùn)動(dòng)，也必須有力來改變我們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)汽車會(huì)給我們水平方向的向前的摩擦力，讓我們改變了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從靜止開始運(yùn)動(dòng)，因此，我們從靜止到運(yùn)動(dòng)是需要力來改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，但是開始的靜止?fàn)顟B(tài)和后來的勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，卻是我們由于慣性而處于平衡狀態(tài)?？梢?，一個(gè)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)有很多種不同的過程，而每一個(gè)不同的過程可能會(huì)有不同的受力。因此，做題時(shí)一定要關(guān)注到具體的運(yùn)動(dòng)過程。是靜止?fàn)顟B(tài)，還是勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，抑或是從靜止到運(yùn)動(dòng)的過程，甚至是加速或減速的過程，絕對(duì)要區(qū)分清楚，不能一概而論。接下來我們來解答學(xué)生提出的電梯里的問題，當(dāng)人隨電梯靜止時(shí)，我們已經(jīng)知道是由于慣性而靜止的，人隨電梯勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，也是由于慣性做勻速直線運(yùn)動(dòng)的，此時(shí)都受平衡力，即人所受的支持力克服了重力，支持力與重力的作用效果相互抵消，合力為零，相當(dāng)于物體不受力，就像在失重環(huán)境下的太空艙里一樣。但是從靜止到勻速運(yùn)動(dòng)之間，有一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)階段，此時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在改變，支持力大于重力，人受到非平衡力，是力改變了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)讓人隨電梯從靜止到運(yùn)動(dòng)。因此，請(qǐng)不要忘記我們還有這個(gè)受非平衡力導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的過程。重新看文章開篇的題目：當(dāng)重物以1m/s的速度勻速向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，所受的重力和拉力是平衡力，相當(dāng)于創(chuàng)造了理想的失重環(huán)境，所以物體是由于慣性在做勻速直線運(yùn)動(dòng)。若你覺得物體向上運(yùn)動(dòng)得太慢，想以5m/s的速度運(yùn)動(dòng)怎么辦？好說，加速唄。讓拉力大于重力，則物體受非平衡力，開始向上加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)物體達(dá)到5m/s的速度時(shí)，讓拉力重新減小到等于重力，物體相當(dāng)于不受力，就會(huì)由于慣性維持5m/s的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)物體的拉力仍然等于重力等于6000N。同樣當(dāng)重物以2m/s的速度勻速向下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，也是由于慣性，此時(shí)拉力等于重力還是等于6000N。拓展一下，如果起重機(jī)吊著貨物在空中靜止，拉力是多少？答：6000N。如果貨物沿水平方向勻速直線運(yùn)動(dòng)呢？答：還是6000N。因此，每一個(gè)平衡狀態(tài)均是物體由于慣