力
lì
力是作用在物体上的推或拉,能改变其运动状态,以牛顿为单位,并通过 F = ma 与质量和加速度相关联。
Formula
F = ma
Definition
力是一种推或拉,力能让物体开始运动、停止、变快、变慢或改变形状。力既有大小又有方向,以牛顿(N)为单位,其中1牛顿是使 $1\ \text{kg}$ 质量获得 $1\ \text{m/s}^2$ 加速度所需的力。接触力(如摩擦力和施加的推力)需要接触,而非接触力(如重力、磁力和电力)可以隔空作用。在最深的层面上,力是两个物体之间的一种矢量相互作用,牛顿第二定律的一般形式指出,合力等于动量的变化率,$\vec{F}_{\text{net}} = d\vec{p}/dt$,当质量不变时化简为 $\vec{F}_{\text{net}} = m\vec{a}$。牛顿是一个导出单位,$1\ \text{N} = 1\ \text{kg}\cdot\text{m/s}^2$,日常生活中的一切力最终都可以归结到两种基本相互作用:引力和电磁力。
Example
踢一个足球是一种让它滚动起来的推力,拉动小推车的把手是一种拖动它的拉力。一辆 $2\ \text{kg}$ 的小车被推到以 $3\ \text{m/s}^2$ 加速,它受到的力为 $F = ma = 2 \times 3 = 6\ \text{N}$。换一个用动量来求解的思路,一辆 $1{,}200\ \text{kg}$ 的汽车在 $4\ \text{s}$ 内从 $20\ \text{m/s}$ 减速到静止,其受到的平均制动力为 $F = m\,\Delta v/\Delta t = 1200 \times (-20)/4 = -6{,}000\ \text{N}$,方向与运动方向相反。
Key Insight
有些力需要接触,比如踢一脚;有些不需要,比如重力或磁铁;重力即便没有任何东西碰到你,也一直在拉着你。力也不一定要引起运动:推墙时施加了力,但墙以同样大小的力推回来,所以什么都没动,运动的改变只发生在力不平衡的时候。就连"接触"本身也只是一种近似。桌子的支持力和地板的摩擦力,在原子层面都是电磁作用,因为一个表面中的电子会排斥另一个表面中的电子。