月球的運動與蘋果的運動都是等加速度運動!

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月球的運動與蘋果的運動都是等加速度運動! 兩者加速度指向地心! Isaac Newton (1642-1727)

牛頓蘋果樹的後代在Cambridge U.

月球的運動與蘋果的運動都是等加速度運動! 兩者加速度指向地心! 月球與蘋果都在地球的影響下運動! 物體對運動的影響對應於被影響者的加速度

影響 加速度 質量會改變力的效應 力與加速度都有方向性 牛頓運動定律 因 果

牛頓運動定律 此定律指出一物體的 ma 將對應改變運動狀態的外在原因! 牛頓定律提供一個架構與方向,讓我們去尋找影響物體運動的原因,如果以加速度去找,你一定可以找到一個具體的影響物體。 若無外在變因,則加速度為零,動者恆動靜者恆靜。

只有牛頓定律是無法預測物體的運動,必須進一步了解 F 如何決定,也就是知道力與位置等物理量的關係,此定律才有用處! 將此式代入牛頓定律,就得到位置函數所滿足的 一組方程式,此方程式就可能決定物體的運動,也就是解出位置函數! Equation of Motion 運動方程式

牛頓提供了力的第一個例子:萬有引力。 有許多的觀察可以讓我們歸納(拼湊)出萬有引力的性質。 可以推論出萬有引力是由受力者指向施力者的中心。

地表上所有物體將以同樣的方法下落 物體下落運動以同樣的等加速度進行 a 與質量無關 所以地球對地表物體的萬有引力與該物體的質量成正比!

引力與距離的關係? 地表物體與月球只提供兩個距離 行星繞太陽也是由於太陽對行星的萬有引力: 九大行星系統等於對萬有引力在九個不同距離做了九次觀察。 Kepler’s Third Law 行星軌道: 萬有引力提供了圓周運動的向心力。 引力與距離平方成反比!

萬有引力 運動方程式 牛頓將此猜想運用於月球軌道的計算!

萬有引力

牛頓定律給定運動方程式Equation of Motion,加上起使條件(起始位置與速度),便能決定此系統未來任一時間的狀態!

地球對地表上物體的萬有引力: 地表上重力大致上與位置無關。 y

拋體運動 以分量來討論運動非常方便: 垂直與水平彼此獨立。 垂直運動即一自由落體,水平運動即一等速運動。

解自由落體的運動方程式: 等速運動 有初速的自由落體 需要起始條件:起始位置與起始速度

由運動方程式及起始條件,整個拋體的運動就全部找到:

正好自由落體下落的距離

http://techtv.mit.edu/collections/physicsdemos/videos/735-monkey-and-a-gun

Height and Range 射程發生在 最高點發生在 求出時間再代回

P100 Example 4.5, 4.6

牛頓定律給定運動方程式Equation of Motion,加上起使條件(起始位置與速度),便能決定此系統未來任一時間的狀態! 三個函數都可解出

等加速度運動 每一個有質量的物體都有一個牛頓第二定律! 無質量或質量可以忽略者,合力為零

有些日常問題中,運動有些條件限制,如此力的形式與方向可以部分得知: 由運動的條件可以解出部分力的大小。 地面施力一定垂直於地面:而此正向力的大小通常由運動條件來決定。

由運動的條件知道: 固定角度下,速率固定。那如果開得快於上式呢? P216 Example 8.4, 8.5

P194 7.4 Example 7.6 繩的張力Tension一定沿著繩的方向。 一般會忽略繩的質量,因此繩兩端的張力相等。

對每一個質點,就有三個方程式!

空氣阻力 Drag Force 力的方向與速度相反 速率愈大,阻力愈大 物體運動慢時,阻力大小與速率成正比

空氣阻力 Drag Force對拋體的影響 垂直與水平依舊彼此獨立。

實驗發現:物體速度稍快時,阻力與速度平方成正比 運動方程式: 垂直與水平不再彼此獨立。 P212 8.1

阻力對射程的影響 射程減少近一半 最大射程仰角降低

棒球作為拋體 棒球速度大概50m/s,此時阻力與速度關係複雜:

垂直拋體在阻力下運動 向下落時速度增加到阻力與重力抵銷時,受力為零,就不再增加,而維持等速。

Terminal speed vterm 亞里斯多德說重物掉得快,其實與日常觀察真的符合的。

摩擦力 Friction Force 靜摩擦,力隨情況而定

動摩擦

靜摩擦力大小由物體靜止的條件來決定, 但最大值與垂直方向立成正比。 動摩擦力一般來說是一定值,與垂直方向力成正比:

P166 Example 6.7

最大靜摩擦力 不滑動條件

動摩擦力大致與面積無關,而與正向力有關。

F(x) x 正力為排斥力,力為負則為吸引力 摩擦力的根源是原子力或分子力

原子力是由電磁力產生

原子力束縛態 電偶極 + - + - 感應形成電荷分布不均

原子力 Lennard-Jones

Example 8.4 turning the corner 平路上的轉彎 在結冰路上轉方向盤是無法轉彎的。 可見平路上的轉彎是來自摩擦力。

Sec. 6.6