二力平衡與慣性

【摘

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

）。A.12000N

B.6000NC.3000N

D.無法判定本題的答案是B，這個答案對學生來說是一種既簡單又復雜的存在，簡單是因為他們做過很多遍，老師說因為物體處于平衡態(tài)，二力平衡，所以拉力等于重力等于6000N。雖然學生已經(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——考試得分，不得不機械性作答。以下文章的闡述就是來解決這一類困惑的。新授課的時候，很多同學會問：老師，當我們坐電梯時，電梯靜止的時候我們受到的重力等于支持力，你又說當電梯勻速上升的時候我們受到的重力還等于支持力，那么我們是怎么運動起來的呢？這么多年的教學，幾乎每一屆的學生都會問這個問題，所以當有學生問這個問題的時候，現(xiàn)在的我都會了然一笑——果然來了。很多時候，我不是直接回答這個問題，而是會反問學生兩個問題。反問1：你現(xiàn)在坐在椅子上處于靜止狀態(tài)，是由于慣性，還是重力和支持力維持的結果？反問2：當你在汽車上，隨著汽車一起做勻速直線運動的時候，你是由于慣性自己在運動，還是汽車施力帶著你運動的呢？如果你對反問1的回答是“重力和支持力維持的結果”，對反問2的回答是“汽車施力帶著你運動的”，我能理解，因為我們所處的環(huán)境很容易讓人忘記物體的運動不需要力來維持，而力是改變運動狀態(tài)的這一事實了。我們通過兩個實例重現(xiàn)一下力對運動狀態(tài)的影響。光滑的水平面上有一正在向右勻速運動的物體，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動狀態(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動;乙圖中F2的方向與物體運動方向相反，阻礙了物體的運動，所以F2的作用效果是讓物體向右減速，注意此處是減速，不是掉頭向左運動;丙圖中F1、F2同時作用在這個物體上，因為這兩個力的大小相等，所以作用效果相互抵消，物體既加不了速，也減不了速，則勻速運動。如圖2所示，a圖中F1的作用效果是讓物體向右運動;b圖中F2的作用是讓物體向左運動;c圖中F1、F2同時作用在這個物體上，因為這兩個力的大小相等，所以作用效果相互抵消，物體既不能向右運動，也不能向左運動，則繼續(xù)靜止。問題是，這個物體到底是由于慣性保持勻速直線運動或靜止狀態(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我們生活和對我們思維的影響，當正向證明無果的時候，我們通常用反向的方式來證明。因此，我們在驗證物體的慣性時，通常都是通過運動狀態(tài)的改變來對比進行的。比如驗證靜止的物體有慣性，我們讓一個木塊靜止在小車上，突然拉動小車，會發(fā)現(xiàn)木塊向后傾倒，因為木塊底部受力改變了靜止狀態(tài)向前運動，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，即具有保持靜止狀態(tài)不變的能力;當木塊隨小車一起運動時，小車突然停下，則木塊向前傾倒，因為木塊底部受力改變了運動狀態(tài)向前減速，而頂部由于慣性要保持原來的運動速度不變，所以出現(xiàn)前傾的現(xiàn)象，則反證運動的物體具有慣性，即具有保持勻速運動狀態(tài)不變的能力。生活在這個時代的我們真的感到很幸運，目前我們國家成功進行了兩次太空課堂的授課任務，太空艙里的失重環(huán)境，能讓我們更直觀地認識物體的慣性。比如第一次太空課堂有這樣的一個情景：聶海勝的太空打坐，王亞平?jīng)]有推他的時候，他在前后方向上是靜止的，但是當王亞平推了他之后，他就由靜止狀態(tài)向后運動起來了，而且根本停不下來，我想如果沒有太空艙艙壁的阻擋，他就會遨游太空去了，可見，聶海勝的靜止沒有力來維持，運動時也沒有力來維持，那是什么原因讓他或靜止或勻速直線運動呢，找不到外因就不要找了，我們定義為那是因為他自身的屬性——慣性，是他自己具備靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的能力。但是他從靜止到運動的過程中，是王亞平對他施力改變了他的運動狀態(tài)?；氐降孛嫔?，我們再看另一個例子：平拋運動與勻速直線運動的比較，圖3是研究平拋運動與水平運動等時性的頻閃照片。如圖3所示，離開軌道后，兩個小球都在向前運動，水平方向上沒有力來維持它的運動，那么小球的向前運動則是由于慣性。不同的是，上方空中的小球，一邊由于慣性向前運動，一邊由于重力作用下落。我們來做個假設，假如上方的小球在離開軌道的同時，受到的重力突然消失（比如到天宮一號太空艙上去了），那么還會下落嗎？毫無疑問不會，小球將會在水平方向做勻速直線運動。此時的小球由于處于失重狀態(tài)根本不會下落。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，但是它的運動狀態(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動，不需要力來維持。由此看來，當物體受平衡力時，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)造出了一個失重環(huán)境一樣，目的是讓物體相當于不受力，而不是來影響或者改變物體的運動。那么小球是如何從靜止到運動的呢？與聶海勝從靜止到運動時的條件一樣，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，這個力讓小球改變了運動狀態(tài)，從靜止開始運動，從而到離開軌道時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，當我們坐在位置上受到重力和支持力的作用靜止時，這兩個力彼此平衡，作用效果互相抵消，讓我們相當于不受力，就好像給我們創(chuàng)造了一個理想的失重環(huán)境，而我們是由于慣性保持靜止狀態(tài)。再來回答反問2，當人隨汽車一起做勻速直線運動時，人的運動就像上述平拋運動實驗中下方的小球一樣。汽車之于人的作用和水平軌道之于水平運動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，人的運動情形就跟在失重環(huán)境下的太空艙中一樣，不需要汽車施力來維持我們的運動，我們是由于慣性在做勻速直線運動。那么我們是怎么從靜止動起來的呢？太空中的聶海勝，平拋運動中的小球，他們從靜止到運動，都受了非平衡力的作用，那么我們從靜止到運動，也必須有力來改變我們的運動狀態(tài)，這時汽車會給我們水平方向的向前的摩擦力，讓我們改變了運動狀態(tài)從靜止開始運動，因此，我們從靜止到運動是需要力來改變運動狀態(tài)的，但是開始的靜止狀態(tài)和后來的勻速直線運動狀態(tài)，卻是我們由于慣性而處于平衡狀態(tài)?？梢?，一個運動可能會有很多種不同的過程，而每一個不同的過程可能會有不同的受力。因此，做題時一定要關注到具體的運動過程。是靜止狀態(tài)，還是勻速直線運動狀態(tài)，抑或是從靜止到運動的過程，甚至是加速或減速的過程，絕對要區(qū)分清楚，不能一概而論。接下來我們來解答學生提出的電梯里的問題，當人隨電梯靜止時，我們已經(jīng)知道是由于慣性而靜止的，人隨電梯勻速運動時，也是由于慣性做勻速直線運動的，此時都受平衡力，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動之間，有一個加速運動階段，此時運動狀態(tài)在改變，支持力大于重力，人受到非平衡力，是力改變了運動狀態(tài)讓人隨電梯從靜止到運動。因此，請不要忘記我們還有這個受非平衡力導致運動狀態(tài)改變的過程。重新看文章開篇的題目：當重物以1m/s的速度勻速向上運動的時候，所受的重力和拉力是平衡力，相當于創(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動。若你覺得物體向上運動得太慢，想以5m/s的速度運動怎么辦？好說，加速唄。讓拉力大于重力，則物體受非平衡力，開始向上加速運動，當物體達到5m/s的速度時，讓拉力重新減小到等于重力，物體相當于不受力，就會由于慣性維持5m/s的速度做勻速直線運動，此時物體的拉力仍然等于重力等于6000N。同樣當重物以2m/s的速度勻速向下運動的時候，也是由于慣性，此時拉力等于重力還是等于6000N。拓展一下，如果起重機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動呢？答：還是6000N。因此，每一個平衡狀態(tài)均是物體由于慣