對碰撞的研究歷史

1、對碰撞的研究歷史通過下面一些歷史材料的綜合，就會發(fā)現(xiàn)這樣的事實：力的概念最初是人類在勞動中通過肌肉緊張的感覺而產(chǎn)生的。后被自然科學(xué)家借用而成為物理學(xué)的基本概念。力的概念是經(jīng)過許多力學(xué)工作者的琢磨加工，逐漸完善起來的。從力的概念的產(chǎn)生到力的概念逐步明確的過程中，力與碰撞過程始終緊密地連系在一起。一、墨經(jīng)對力的認識在公元前480-380之間，中國的墨翟（約公元前478392）及其子弟所著的墨經(jīng)一書，對運動和力有明確的定義。在力的概念及許多力學(xué)知識方面，走在同時代的前列。閃耀著中華民族智慧的光輝。墨家考察了人體對周圍環(huán)境的作用，看到人們通過肌肉的動作，如舉、持、擲、踢、蹬，可以使別的物體發(fā)生位置移動

2、，從而總結(jié)出肌肉力的概念。經(jīng)第二十一條指出，：“力，刑之所以奮也?！边@里“刑”同形，指人體，物體；“奮”，指克服阻抗而運動。奮字在古漢語中的意義是很豐富的，諸如由靜到動，由慢到快；由下而上等等都叫做奮。因而墨家的這句話可理解為：力是物體由靜而動，由下而上，或由慢到快的原因。這是對力下的一個很正確定義。由于力不易見，而重是顯而易見的，人人都能看得到，所以，墨家又以舉重為例加以闡明。同條經(jīng)說指出：“力，重之謂。下、與，重奮也?！边@里“下”是指物體下墜；“與”是舉物向上。意思是說，重是一種力，力和重相當(dāng)，物體下墜、上舉，都是基于重的作用的運動。墨家把力和物體運動的原因聯(lián)系起來，初步認識到了力可以改變

3、物體的運動狀態(tài)。在當(dāng)時，這是對力的概念的很了不起的很重要認識。特別是墨家已把力和重聯(lián)系起來，把重看成一種力，可以說這是人類對力的最早的理性認識。經(jīng)第一百二十七條的經(jīng)說還指出：“凡重，上弗挈，下弗收，旁弗卻，則直下?！奔凑J為自由落體的軌跡必堅直向下。說明墨家對重量產(chǎn)生的力觀察研究得十分深入。墨家對阻力、慣性，浮力以及墻體和梁的受力等都有精細的分析。對力的平衡，扛桿、滑輪、輪軸和斜面的力學(xué)知識也有深入的理解。二、古代原子論中的碰撞作用觀點遠在公元前，古原子論奠基人之一伊壁鳩魯（Epicurus 公元前342270）就正確地提到碰撞：“當(dāng)原子在虛空里被帶向前進而沒有東西與它們碰撞時，它們一定以相等的

4、速度運動?！庇媒裉斓挠^點來看，這里所說的碰撞顯然有著力的含義。德謨克利特（Democritus,公元前460-370）是一個很博學(xué)的人。他到過巴比倫、波斯、埃及、印度和埃塞俄比亞。在他的原子論中包含著這樣的一種思想：原子在本質(zhì)上都是相同的，它們之間的作用是通過碰撞、擠壓而傳遞的。亞里士多德（Aristoteles，公元前384-322）認為物體的運動只有在外界的不斷作用下才能產(chǎn)生，也就是說，他認為力是產(chǎn)生運動的原因。但這種說法解釋不了拋射運動，于是出現(xiàn)了沖力說。三、沖力說的概念沖力說的早期代表是六世紀(jì)亞歷山大的一個學(xué)者，名叫約翰斐勞波諾斯（John Philonos）, 所謂沖力，就是和物體運

5、動具有同一方向的動力。物體運動速度越大，物體得到的沖力就越大。很顯然，這里所說的“沖”就有碰撞的含意，沖力其實就是一瞬間的碰撞力。正是由于沖力說把力與碰撞聯(lián)系起來，才使得力的概念向著正確的道路前進。斐勞波諾斯認為上帝創(chuàng)世之初就賦予天體一種“沖力”，即一種不隨時間消逝的動力。這種動力可以維持物體永遠運動下去。因此，運動的物體一般并不需要經(jīng)常有個推動者和它接觸，直到這種沖力耗盡為止。1327年，任巴黎大學(xué)校長的瓊比里當(dāng)（Jean Buridan）也是沖力說的擁護者。他持有這種觀點：在運動的物體上存在一種沖力，天體正是由于沖力而運動的。只是由于天空中沒有空氣阻力，沖力作用不會減退，所以天體就一直運動

6、下去，從而否定天神推動天體運轉(zhuǎn)。四、碰撞過程的研究碰撞問題是17世紀(jì)力學(xué)中心問題之一。隨著對碰撞過程研究的不斷深入，力的定義也日趨完善。1伽俐略對碰撞的研究沖力說對伽俐略（Galilea）的影響很大，他本人早期就是沖力說的信奉者。他通過對落體運動的研究，提出了如下想法：唯有重量才是物體產(chǎn)生運動或變化的原因。伽利略關(guān)于碰撞的論述保留在新科學(xué)對話的草稿上，對話原稿的第六天內(nèi)容碰撞的力后來發(fā)表于1718年。從這本著作中可以了解到伽利略已經(jīng)把碰撞和力聯(lián)系起來，并作過了各種努力,想把碰撞問題以某種數(shù)學(xué)形式加以歸納,但沒有完全獲得成功。伽利略曾經(jīng)用天平觀測過下落水柱的沖擊力，他認為沖擊力與物體質(zhì)量以及它下

7、落中獲得的速度有關(guān)。并試圖確定碰撞過程中沖擊力的作用與質(zhì)量和速度的關(guān)系。2笛卡兒的碰撞理論笛卡兒（RDescartes）就比伽俐略更進了一步，特別值得強調(diào)的是，他提出過這樣兩條原理：a.用反復(fù)給予的小沖擊來代替作用于落體上的重力；b.一旦開始運動的物體，只要沒有受到妨礙，就會不斷地繼續(xù)運動下去。很明顯，從笛卡兒所用的沖擊、妨礙兩詞來分析，他已經(jīng)把重力分解成一種連續(xù)不斷的碰撞，并且認為物體不受到碰撞就不會改變運動狀態(tài)。他認為：所謂力就是特定的物體所具有的實在的西，它的大小由動量給出。笛卡兒1644年在哲學(xué)原理第二部中論述了有關(guān)碰撞的7條定律：.兩個以大小相等、方向相反的速度碰撞的同樣物體，在碰撞

8、后交換速度。. 如果物體A比物體B大得多，那么碰撞后它們以同一速度沿A原來的方向運動。. 如果物體A和物體B大小相等，但A速度大，那么A把超過B的速度的一半傳給B。. 如果物體B大于物體A，（即使大得不多），而且物體B靜止，則碰撞時物體A將不能推動B，而自己反彈回去。.如果物體A大于物體B，且B靜止，則無論A的速度多么小，都將推動B沿著自己運動的方向以同樣的速度運動，其中物體A將把與物體B相應(yīng)的部分運動傳給B。.如果兩物體相等，且物體B靜止，則B將部分地被推動，A也部分地被彈回。如果A的速度為4，則A留其3，B得其1。. 如果物體B大于物體A，而A的速度大于B的速度運動方向相同，則可能有三種情

9、況：若兩物物體質(zhì)量之差小于兩速度之差，則A將傳給B一部分運動；若兩物物體質(zhì)量之差大于兩速度之差，則A反彈回來，不傳遞增運動；若兩物物體質(zhì)量之差等于兩速度之差，則A將傳給B一部分運動，而自己以剩余的運動反彈回來。用今天的觀點來看，這7條定律中當(dāng)然存在一些缺陷和錯誤。在笛卡兒看來，空間是充滿著物質(zhì)的，其各部分的運動只因相互發(fā)生碰撞才發(fā)生變化。他否認了隔開一定距離發(fā)生作用的那種力。把碰撞理論放在動量守恒的基礎(chǔ)上來處理。因為笛卡兒的碰撞理論有缺陷，他也沒有能正確地解決碰撞問題，他的力的概念也有嚴(yán)重的缺陷。例如，萊布尼茲(Leibniz)曾經(jīng)通過一個具體的碰撞例子發(fā)現(xiàn)了這些缺陷。盡管笛卡兒的碰撞理論還有

10、不少的缺陷，但惠更斯（C.Huygens）和牛頓（Newton）在此基礎(chǔ)上展開了碰撞問題的正確研究，從而開始奠定了近代力學(xué)的基礎(chǔ)。3惠更斯的碰撞理論惠更斯的碰撞理論被認為是在1656年前完成的，但他的碰撞理論在他死后(1703年)出版的物體碰撞運動一書中才首次發(fā)表。和惠更斯同一時代的沃利斯(Jwallis),雷恩(Cwren)和胡克（R.Hooke ）也發(fā)表了有關(guān)碰撞問題的論文。他們所得的結(jié)論基本相同，但以惠更斯最為完整。他提出了作為論述碰撞問題的幾個公理,周密地論述了彈性體的對心碰撞。人們認為，1673年馬略特（E.Mariotte）發(fā)表的論物體的碰撞和惠更斯的物體碰撞運動是關(guān)于彈性碰撞理論

11、的經(jīng)典名著。惠更斯的碰撞理論是以下述三個假設(shè)（公理）作為基礎(chǔ)的：.“運動起來的物體，在未受到阻礙作用時，將以不變的速度沿直線繼續(xù)運動。”.“兩個具有相同質(zhì)量的物體，以相同速度相向作對心碰撞后，兩者都以相同的速度向相反方向運動。”.“當(dāng)兩個物體碰撞時，即使它們同時參與另一勻速運動，在也具有這個共同運動的觀察者看來，兩個物體的相互作用就好象不存在這個共同運動一樣?！碧貏e需要指出的是，惠更斯在碰撞過程的研究中得出許多重要的力學(xué)原理。例如：其一，兩個物體所具有的運動量在碰撞過程中都可以增多或減少，但是它們的量值在同一方向的總和卻保持不變，如果減去反方向的運動量的話。其二，在兩個物體的碰撞中，它們質(zhì)量和

12、速度的平方乘積的總和，在碰撞前后保持不變。4牛頓對碰撞的研究牛頓在不知惠更斯結(jié)果的情況下，也對碰撞問題進行了深入的研究。在他的手稿中，把碰撞作為具體問題進行論述。他論述了質(zhì)點的彈性碰撞問題、有廣延性物體的非對心碰撞問題以及旋轉(zhuǎn)著的許多物體的碰撞。這是極為復(fù)雜的，但結(jié)果是正確的，這就充分說明了牛頓對碰撞問題的研究已經(jīng)達到了多么深入的程度。牛頓認為，所謂力就是使物體運動狀態(tài)發(fā)生變化的動力。他說明，作為定量的定義，力是和動量的變化成正比例的。牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理一書中把作為產(chǎn)生加速度原因的力和慣性力、碰撞、壓力、向心力相提并論，似乎領(lǐng)悟到力和碰撞的某些聯(lián)系。不過，牛頓提出的作用力和反作用力定律肯

13、定是通過對碰撞過程的研究而得出的。實際上，牛頓通過對碰撞過程的深入的研究，不自覺地總結(jié)出力具有大小、方向和作用點三要素，發(fā)現(xiàn)了碰撞過程的三個基本特性，即牛頓三大定律。他從根本上把握了慣性定律、力的大小和動量的變化率成正比以及作用力與反作用力等大反向。從此，力的定量概念就逐漸明確起來。這也是牛頓能成為一顆明星的根本原因。五、結(jié)論從上述討論可知，力是與碰撞密切相關(guān)的概念，正確的碰撞理論未被建立以前，力的定量概念也沒有確立，在正確的碰撞理論（彈性碰撞）完成以后，力的定量概念也逐漸明確。對力學(xué)作出重大貢獻的科學(xué)家中，無一不深入細致地研究過碰撞。因此，我們完全有理由認為：力的概念是從碰撞過程中抽象出來的。也就是說，力的概念起源于碰撞。歷史上最近一段相當(dāng)長的時期，由于牛頓三大定律正好掩蓋了碰撞過程，人們對碰撞過程研究的熱情