牛顿运动定律在生活中的应用

谭云谦

摘 要：本文首先介绍的牛顿运动定律以及各自的作用。随后，本文分别介绍了牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律的发展史以及其在日常生活中的应用。最后，本文还展望了牛顿运动定律对未来生活发展的作用。

关键词：牛顿运动定律；发展史；应用

中图分类号：G634.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0240-02

1 前言

牛顿运动定律是对宏观、低速世界运动变化的规律的总结，其主要包括牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律这三条定律。这些定律是英国科学家牛顿依据前人研究以及结合自己的研究成果，创造性的提出来的，并于1687年发表在《自然哲学的数学原理》一书中[1]。牛顿运动定律是经典力学的核心和灵魂。其第一运动定律明了力的含义（力是改变物体运动状态的原因）；而第二运动定律指出了力的作用效果（力使物体获得加速度）；第三运动定律揭示出力的本质（力是物体间的相互作用）。

2 牛顿运动定律的提出与发展

2.1 牛顿第一运动定律的发展史

牛顿第一运动定律发展的萌芽可以追溯的公元前5世纪，希腊哲学家伊壁鸠鲁等人通过凭空猜想认为，原子在虚空中没有阻力的情况下，只要不受外界的干扰，会一直匀速地运行下去。而在公元前4世纪，希腊哲学家亚里士多德指出力是维持物体运动的根本原因。创造性的提出了力与运动的关系，并且此“推动论”观点统治了力与运动的观点近两千年。随后在14世纪，“冲力理论”得到了空前的发展，“冲力理论”认为对物体施加的冲力越大，物体运动的速度就越大；而当冲力耗尽时，物体就会停止下来。三百年后，意大利科学家伽利略提出类似惯性原理的说法，通过理想斜面实验，得出当物体沿某一光滑斜面落下，并沿着另一光滑斜面向上运动，则物体将不受斜面倾斜角的影响仍将达到和原来同样的高度。随后，法国数学家笛卡尔通过对伽利略这种类似惯性原理的说法进行补充，得到了惯性定律。物体不受到外因的作用，物体将永远保持其静止或运动状态。同时，笛卡尔还系统的指出惯性运动的物体永远只会保持直线运动。这一理论已经非常接近牛顿的第一定律。随后，牛顿通过受到这些思想的启发，研究了惯性运动及其本质，发现了惯性力是物体内在的属性，从而提出了牛顿第一运动定律。

2.2 牛顿第二运动定律的发展史

牛顿第一运动定律和牛顿第二运动定律是关于物体惯性运动和如何打破惯性运动的定律，因而有很多类似之处。有人认为牛顿第一运动定律是牛顿第二运动定律的一个特例[2]。因而，对于牛顿第二运动定律的研究也源于对运动的研究。在这方面具有突出贡献的科学家是伽利略，其早在1638年就提出以任何速度运动着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可以保持不变。换句话说，就是物体在不受外在作用力时，将保持初始速度运动下去。而笛卡尔也认为，在没有外加作用时，粒子或者匀速运动，或者静止。此外，笛卡尔也研究了力与加速度关系，指出圆周运动的物体同时有两种运动倾向（向径向运动和向运动）。在此基础上，牛顿通过研究惯性运动的变化与作用力的关系，将力作为保持或者打破物体的惯性运动状态的原动力，提出了牛顿第二运动定律。

2.3 牛頓第三运动定律的发展史

牛顿第三运动定律的研究源于对碰撞问题的研究。笛卡尔作为研究该问题的先驱者，他从运动变化的观点研究了小球碰撞前后动量与动量守恒，但忽略了动量具有方向性。随后在1668～1669年期间，荷兰物理学家惠更斯等人指出两硬体在碰撞过程中同一方向的动量保持不变，且碰撞前后动量守恒。而在1673年，法国科学家马利奥特通过单摆实验，巧妙地测出了碰撞前后的瞬时速度。但是他们这些工作都忽略了作用于物体上的作用力和反作用力。而牛顿通过对他们的实验的改进与修正，创造性的揭示了两物体碰撞时力的相互作用规律，即牛顿第三运动定律。

3 牛顿运动定律在生活中的应用

3.1 牛顿第一运动定律在生活中的应用

牛顿第一运动定律认为任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。这一点非常好理解，但是在经典力学的范围内我们无法找到一个不受任何力的物体。例如：一个物体放置在地面上，那么这个物体就受到了物体本身的重力以及地面对它的支撑力；同样，一个悬浮在水面上的物体，它同样受到物体本身的重力以及水面对它的支撑力（浮力）。所以，在这里我们主要谈论，物体在受到合力为零时，物体也要保持匀速直线运动或静止。一个篮球放置在水面的桌面上，其可以保持静止状态，这是由于其受到一对平衡力，即受到本身向下的重力和桌面对篮球的支撑力，且这两者大小相等，方向相反。同样，如果将这个篮球放置在倾斜一定角度的桌面上，其同样可以保持静止状态。只要满足篮球本身重力水平方向（沿着桌面方向）的分力与桌面对篮球的摩擦力的大小相等即可。至于物体受到平衡力能够保持匀速直线运动，这一点也非常好理解。但是为了采用更加直观的方法来证明这个论点。我们设置两个水平面（一个粗糙面和一个光滑面），使同样形状、同样大小的小球在这两个不同粗超度的水平面运动。当给小球相同的一个力后，我们发现小球在粗糙的水平面上运动很小一段距离就停止了；然而小球在光滑的水平面可以运动很长的距离。当然最终小球也是会停止的，这是因为光滑水平面只是一个相对光滑的平面，存在一定的摩擦系数。当我们设置几个不同摩擦系数的水平面，发现摩擦系数越大的水平面，小球运动的距离越短。这是因为摩擦系数越大，小球受到的运动阻力就越大。因而我们可以想象，在一个理想的绝对光滑的水平面上小球可以一直保持这个速度一直运动下去的，永不停止。

3.2 牛顿第二运动定律在生活中的应用

牛顿第二运动定律作为经典力学的基础和核心[3]，因而探究其在生活中的应用非常有必要。牛顿第二运动定律的基本定义为物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比，加速度的方向跟合力的方向相同。我们同样举几个实例来说明。当我们在斜面上放置一个小球，如果小球本身重力水平方向（沿着斜面方向）的分力与斜面对小球的摩擦力的大小不相等，那么小球就永远受到一个沿着斜面向下方向的合力，也就意味着小球将沿着斜面向下做匀加速直线运动。此外，当我们采用相同大小的力拖着不同质量的物体，发现物体越重，到达目的地所花费的时间也就越长，也会感到越累。这是由于在相同力的情况下，物体越重，所获得的加速度就越小。若是我们通过采用更大的力来拖更重的物体，显然可以与较小的力拖较轻的物体同时到达目的地。

3.3 牛顿第三运动定律在生活中的应用

牛顿第三运动定律是相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，并且作用在同一条直线上。这一现象在我们的生活中非常普遍。例如：当我们轻轻拍桌面的时候，我们的手并没有多大的感觉；而当我们用力拍打桌面的时候，我们的手就感到剧烈的疼痛。这是由于当我们轻轻拍桌面的时候，手对桌面的作用力比较小，因而桌面对手的反作用力也比较小；但是当我们用力拍打桌面的时候，手对桌面的作用力比较大，这也就导致桌面对手的反作用力也越大。同样的原理，双手拉开橡皮筋的两端，然后一只手松掉，我们发现当橡皮筋的两端距离拉开越大，另一只手受到橡皮筋反作用力也越大，当然也就更加疼痛了。此外，当我们拍篮球的时候，越用力往下拍，篮球在相反方向上反弹的就越高。通过这些简单的例子，我们很容易理解牛顿第三定律在日常生活中的应用。但是，有时候我们也发现，当我们与大力士掰手腕的时候，在刚开始用力的一刹那，我们的手会感到剧烈的疼痛，但是大力士却没有明显的感觉。依据牛顿第三运动定律，物体间力的作用是相互的，也就是说大力士与我们的手受到的力的大小是相当的，仅仅是方向不同而已，但又为什么我们的手感到剧烈的疼痛，而大力士却没有呢？的确，大力士的手与我们的手受到的力大小一样，方向相反，但是不能忽略我们对力的承受能力不一样，我们的手承受力的能力较小，也就是为什么我们与大力士掰手腕会感到剧烈的疼痛。

4 结语

牛顿运动定律作为经典力学的核心和灵魂，其基本作用体现在我们日常生活中的方方面面。相信只要我们对牛顿运动定律进行深刻的理解和分析，其在我们日常生活中发挥的作用必将越来越大。

参考文献

[1]王宏伟.牛顿定律与17世纪牛顿的时空观[J].淮南师范学院学报，2010，12（5）：90-92.

[2]张立久.牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例吗[J].物理教学探讨，2015，33（7）：60-61.

[3]潘恒星.牛顿第二定律的定义性理解[J].湖南中学物理，2013，（10）：42+46.endprint