提起「牛頓第三運動定律」:「作用力」與「反作用力」,相信各位都不陌生。
然而,「作用力」與「反作用力」表面上易於理解,實際上各位未必能夠清楚其真正含義。
一般來說,在實驗室中,常會使用實驗來驗證「牛頓第三運動定律」;
而在這裡,本人會使用「動量守恆定律」來反導出「牛頓第三運動定律」,如果各位未學習過「動量」的概念,直接跳過以下的驗證過程就可以了,本人稍後會詳細講解「動量」這課題。
設兩顆圓球m(1)及m(2)現在以某個速度相互碰撞,其開始速度分別為u(1)及u(2),最終速度分別為v(1)及v(2)
以下是証明過程:
可能閣下會好奇,上述的式子中F(1)=-F(2)," - "號是怎樣得來的。
千萬不要忘記,由於「力」是向量,所以" - "號的含義是「F(2)作用於F(1)的反方向」。
以圖例表示:
由此推斷,不受其他外來因素的影響下,一對「作用力-反作用力對」具備以下三大特徵:
1) 兩個物體互相作用時,彼此施加於對方的力;
2) 「作用力」與「反作用力」的大小永遠相等;
3) 「作用力」與「反作用力」的方向永遠相反。
只要違反以上任何一點,那一對力就不是「作用力-反作用力對」了。
此即為「牛頓第三運動定律」,其原文為:
每一個作用力都對應着一個相等反抗的反作用力:也就是說,兩個物體彼此施加於對方的力總是大小相等、方向相反。
一般來說,一對「作用力-反作用力對」通常以下形式描述:
「A施加於B的力,B施加於A的力。」
必須留意,「作用力」與「反作用力」由於施加於不同物體上,因此不能相互抵銷。
以上圖為例子,「A施加於B的力」以及「B施加於A的力」分別施加在A及B上,不能相互抵銷掉。
以上回的「牛頓萬有引力定律」為例:
任何兩件物體之間的引力F(1)及F(2)是一對「作用力-反作用力對」。
例如上圖中,地球跟月球之間的引力F(1)及F(2)是一對「作用力-反作用力對」,分別施加在地球及月球上,因此並不存在「引力相互抵銷掉」的現象。
今回結束前,齊來做一條練習題:
假設物體A (5 kg)及物體B (7 kg)沿著直線運動並且相互碰撞,物體A的撞擊後的加速度為3 m/s^2,試求物體B的撞擊後的加速度C m/s^2
答案將於下方揭曉
根據「牛頓第三運動定律」,物體A及B撞擊時所受的力應該相等、方向相反。
F(1)=-F(2)
根據:
F(1)是「A施加於B的力」。
F(2)是「B施加於A的力」。
F(1) = m(A)a(A)
F(2) = m(B)a(B)
m(A)a(A) = -m(B)a(B)
15 = -7C
C = -2.14 m/s^2
所以B向右邊以2.14 m/s^2的加速度進行加速。
下回本人會講解「功」與「能量」的關係。
(參考資料:維基百科Wikipedia)