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第28章 力学是怎样成为一门独立学科的?

利略对力的科学概念的认识,他首次给出了力的严格和科学的定义。牛顿在他的巨著《自然哲学之数学原理》中写道:“外加力是加于物体上的一种作用,以改变其运动状态,而不论这种状态是静止的还是匀速直线运动状态。”牛顿又指出,外力只存在于作用的过程中,一旦作用过去,它就不复存在。仅仅由于惰性,一个物体才可以保持它所获得的新的运动状态。牛顿有关力的定义几乎是力学中力的现代定义,只是现在我们通常不说力使物体改变了它的运动状态,而是说力使物体获得了加速度。牛顿进而总结出有关力的三北京大学出版社出版的《自然哲学之数学原理》一书封面定律,通过牛顿三定律力的科学概念被确立下来。牛顿进一步研究了力的一种,即万有引力,并总结出万有引力定律,这样可以通过该定律定量计算出万有引力的大小,万有引力定律的发现使人们进一步加深了对力的概念的认识。

在牛顿时代,人们对力的认识仅局限于万有引力和相互接触的物体之间的各种常见的力,例如摩擦力、弹性力、绳的张力、压力、粘滞力等。另外,还应该看到,一方面物体间的相互作用并不一定是“力”的作用。还有其他类型的相互作用,这种作用的结果一般说来并不导致物体运动状态的改变,而可能使这些物体内部发生某种变化,如物体间的热相互作用,两个温度不同的物体相互接触时将达到热平衡的现象。所以当力仅仅使物体的速度发生变化时,力才是量度物体间的相互作用的量。另一方面,当我们用力来描述物体间的相互作用时,我们并不注意这个作用本身的物理特性。

因为对于一个研究机械运动的观察者来说,他并不关心物体是如何获得加速度的,如是接触相互作用还是电相互作用、磁相互作用等的结果。对于观察者来说,这些作用结果都是一样的,即使物体产生了加速度。只要物体获得的加速度相同,那么不管相互作用的性质如何,从力学的角度看,力是完全等同的。牛顿本人也强调了这一情况,他说,力的起因可以是多种多样的,他所讨论的不是物理的力,而是数学的力,也就是说,他没有涉及到力的来源与性质的问题。

随着物理学的发展,人们对力的概念的认识也不断加深与扩展。在人们对电与磁认识的发展进程中,人们发现了电荷之间的静电力,磁场对运动电荷的洛仑兹力。按照力对任何一个闭合路径做功是否恒等于零,力又可分为保守力和非保守力两种。力还可按接触力和非接触力来划分。随着人们对电磁现象研究的深入,人们认识到非接触力的传递不仅需要时间,而需要通过“场”来进行。除电磁力、万有引力外,今天人们又在研究原子核的结构中发现中子、质子等之间的相互作用力——强力以及存在于基本粒子之间的弱力。这些都极大丰富了人类对力的概念的认识。

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