惯性力是真实的力
在牛顿力学体系中,惯性力一直存在其中并影响力学的构建和应用,它给人们带来无尽的困惑、思考和争论,这是一个照本宣科说简亦简、思考探索说难亦难的非常问题。力学领域的主流舆论都否认惯性力是一个真实的力,只有极少人提出真实的力的主张。在这种情况下,推断和论述惯性力是一个真实的力不能不说是要冒天下之大不韪。
我们今天所应用并研究的科学学科的创立和构建都是在欧洲完成的。在众多的学科中,牛顿力学的问题居多。今天人们对力学中各种概念的认识和理解都是根据外国人的理论,人们对惯性与惯性力的论断和解释也都是对别人说法的转述。因此,本文指出的某种错误论断不是指具体某人的错误,大家不要对号入座。
一、惯性力定义
力学界通常认为:牛顿第一定律和牛顿第二定定律所表现的物理规律适用于惯性系而不适用于非惯性系,在非惯性系中,为使牛顿运动定律仍然有效,常引入一个假想的力,用以解释物体在非惯性系中的运动。这个假想力因物体的惯性而引入所以称之为“惯性力”。由于认为惯性力不真实存在,也就顺势推出:惯性力是物体的惯性在非惯性系中的一种表现,并不反映物体间的相互作用,因而它不遵循牛顿第三定律,没有施力物体,也没有反作用力。后面的说法有点莫名其妙,好像对这个假想力也有某种疑问,因为根本不存在的假想力不需要进一步展示和衬托。
在上述认识和解释的影响下,仅在个别高中教学辅导书和大学某些专业的《大学物理学》《理论力学》教科书中有惯性力的概念,各家对这个概念作定义和解释说法不一,大体上可归纳为下列三种:
定义一:当物体加速时,惯性会使物体有保持原有运动状态的倾向,若是以该物体为坐标原点,看起来就仿佛有一股方向相反的力作用在该物体上,因此称之为惯性力。定义后又解释说:因为惯性力实际上并不存在,实际存在的只有原本将该物体加速的力,因此惯性力又称为假想力或虚拟力。
定义二:物体受力作用而改变运动状态时,物体的惯性反抗这种改变而对施力物体的反作用力,叫做惯性力。定义外也说惯性力是一个虚拟力或假想力。
定义三:惯性力是非惯性系中物体所受到的一种力,它是由于非惯性系本身的加速运动所引起的。随后解释说,惯性力只在非惯性系中有意义,它不同于物体间的相互作用,没有施力者,也没有反作用力,从这个意义上说,惯性力是一个假想力或虚拟力;但这种力可以测量出来和感受到,从这个意义上说,惯性力又像是一个真实力。
定义一中的惯性力是一个纯虚力。定义二的定义合适合理,看不出有虚拟的意思,倒像是一个真实力的描述,但其解释给否定了。定义三似乎认为从某一方面看惯性力有真实的性质,描述得半真半假,半假的一面是肯定的,半真的一面没有肯定,结果还是虚拟力。
本文认可定义二,但认为惯性力是一个真实的力,它自然有施力物体和反作用力。
二、牛顿对惯性力的表述
牛顿在创立牛顿力学时,并没有区分开惯性与惯性力概念。例如他在《自然哲学的数学原理》中给惯性力定义是:“物质固有的力,是一种起抵抗作用的力,它存在于每一物体当中,大小与该物体相当,并使之保持其现有的状态,或是静止,或是匀速直线运动。”今天看来,“物体固有的力”显然不对。物体固有的力只能是引力,而物体固有的属性是物体的惯性。牛顿用“一种起抵抗作用的力”表示惯性力是对的,而“保持其现有的状态,或是静止,或是匀速直线运动”说的是惯性,这就是惯性与惯性力的混淆。可能直到今天,西方的官科也没有从理论上澄清这两个概念的混淆。
牛顿给惯性力定义后解释说:“这个力总是正比于物体,它来自于物体的惯性,与之没有什么区别,在此按我们的想法来研究它。一个物体,由于物质的惯性,要改变其静止或运动的状态不是没有困难的。由此看来,这个固有的力可以用最恰当不过的名称,惯性或惯性力来称呼它。但是,物体只有当有其它力作用于它,或者要改变它的状态时,才会产生这种力,这种力的作用即可以看做是抵抗力,也可以看做推斥力;当物体维持现有状态,反抗外来力的时候,即表现为抵抗力;当物体不易于向外来力屈服,并要改变外来力的状态肘,即表现为推斥力。抵抗力通常属于静止物体,而推斥力通常属于运动物体。不过正如通常所说的那样,运动与静止只能作相对的区分,一般认为是静止的物体,并不总是真的静止。”