牛頓運動定律 因 果 此定律指出一物體質量乘加速度將對應改變運動狀態的外在原因! 若無外在變因,則加速度為零,動者恆動靜者恆靜。 牛頓定律提供一個架構,但仍需要有具體力的描述,此定律才有用處!
牛頓運動定律 牛頓定律提供一個架構與方向,讓我們去尋找物體運動方式改變的原因,如果以加速度去找,你一定可以找到一個具體的影響物體。 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!
牛頓提供了力的第一個例子:萬有引力。 一旦確定了F=ma的方向,有許多的觀察可以讓我們歸納(拼湊)出萬有引力的性質。 從蘋果與月球的例子,可以推論出萬有引力是由受力者指向施力者的中心。
沒有介質阻力下,地表上所有物體將以同樣的方法下落 a 與質量無關 地表上物體的下落運動以同樣的等加速度進行,所以地球對地表物體的萬有引力與該物體的質量成正比!
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。 因為同一軌道處運動與質量無關,行星質量可以不理。 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
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
知道力,就可解出物體的運動狀態。有時力並不需要完全知道。 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