牛顿定律是怎样让你动起来的   

无论是需要等待,还是能直接冲上跑道,起飞的那一刻最终都会到来。这时,油门杆被推起,而你也被猛地推向了座椅。此时,你有机会在现实中感受那个著名科学定律的奥妙了——此刻,你的一切都在牛顿运动定律掌握之中啦。这些定律都和力有关,从本质上来说,力是所有现象产生的基础。比如,若某物体突然开始运动,那一定有个施加于它的力。牛顿提出了三个不同的关于力的定律,当你冲上跑道的那刻起,牛顿的三个定律就开始起作用了。

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牛顿第一定律中说到一个物体(比如你的身体)在没有受到力的作用时,总保持原有状态——运动或静止。这听起来似乎并没有什么了不起的,但是在牛顿之前,人们认为如果想让物体处于运动状态,就得不停地施之以力。如果停止施力,物体就会静止。(其实,过去的理念还是挺复杂的呢,因为那时人们认为物体(如地球)都受到重力,因而有一种向宇宙中心靠近的自然趋势,同时,其他物体(如空气)则有浮力,因而有一种远离宇宙中心的自然趋势,而对于除此之外的其他物体来说,不受力便静止。)然而,牛顿却意识到,一旦物体处于运动状态,必须对其施加一个外力(和它原有运动方向相反),它才能停下来。

飞机的发动机施力于飞机,正是这个力使飞机动了起来。而与此同时,你的身体还是处于静止状态。所以,座椅推了你一把。而你(因为你只从你的角度看问题,而非从椅子的角度)感受到的是身体靠到了椅背上,陷入椅子中,但是,不论从原因或效果而言,都是椅子推了你。这样,你就被施力了,开始运动。同样,如果你不动起来的话,当椅子开始向前运动的时候,你的身体将会被椅子击穿。

那么,这个力到底对你做了些什么呢?牛顿的第二定律告诉我们,推你的外力等于你的质量乘以你所经历的加速度。你所感受到的外力越大,你的加速度就越快。飞机在短短的半分钟内就从静止状态加速到时速150英里,这个加速度是重力加速度的1/4。因此,你所承受的g力(g—force)——相当于重力——大约是0.25g。

这个力看起来微小,比起一辆车时速从0到60英里加速过程中所受的g力,它的确算不了什么。例如,捷豹XJR从0加速到时速60英里仅需5秒,所受g力为0.6g。那么,为什么你在飞机上能明显地感觉到自己被推向座椅呢?当飞机油门加大时,你在瞬间承受了大部分的推力,而对于汽车来说,这种推力是逐渐增加的,所以通常都会被人们忽略(而且我们绝大多数人开的都不是高性能的好车)。

飞机在跑道上的加速过程很好地诠释了牛顿第三定律。通俗地说,这条定律告诉我们:两物体相互作用时,它们产生的相互作用力总是大小相等而方向相反。从表面上看,这和废话没什么两样。好像你根本就没法移动任何东西,因为当你试图推某物时,就会产生一个一模一样的反推力,最终的结果就是,那东西还是纹丝不动。但是,如果没有牛顿第三定律,飞机还是动不了。

牛顿第三定律之所以能让物体动起来,是因为作用力和反作用力的受力对象是不同的。当你推盒子时,盒子也以相同大小的力在推你。如果你跳伞,地球对你的吸引力和你对地球的吸引力是完全相等的。但是,我们不能忘了牛顿第二定律——外力等于质量乘以加速度。地球的质量远远在你的之上,所以即便你与地球相互作用的力相等,地球所承受的加速度等于外力除以它庞大的质量——不管怎样,地球都不会受到影响。

当椅子推你时,你也推了椅子。如果不是你推了椅子,你就不会带着加速度陷入椅子中,而会感觉被猛地推向前去。不过,牛顿第三定律的作用远远比这些要重要得多。飞机发动机之所以能使飞机运动,仰赖的就是它。