远处不在的力

张军

很小的时候，我们就有了对力的最初体验。握住筷子夹菜、摔倒在地上、针扎进屁股、把手里的东西扔出去……我们的肌肉都能感受到“力”。经过小学、初中阶段的持续学习，我们对“力”的领悟越来越多，也越来越深刻。今天，张老师就和同学们聊聊有趣的“力”，为大家的学习助上“一臂之力”。

力是相互作用

课本上说“力是物体对物体的作用”，这句话包含了丰富的内容。我们可以把“作用”理解为一个“动作”，比如“推”“提”“咬”“撞”等，动作的发出者就是施力物体，动作的承受者就是受力物体。不论什么力，一定存在施力物体和受力物体。这个“动作”可以是接触的，比如压力、摩擦力，也可以是不接触的，比如太阳和地球之间的引力、同名磁极之间的斥力等。物体之间不接触，是通过“场”发生作用的，如引力场、电场、磁场等。

既然是“物体对物体”，那就说明力必须发生在两个物体之间，一个物体无法产生力的作用。

“力”不是一个物体本身所具有的，必须在“作用”中才能体现，所以不能说“某某物体有某某力”。《义务教育科学课程标准（2022年版）》第38页“能举例说明磁铁具有磁力”这句话是错误的，可以改成“能举例说明磁铁具有磁性”。

力的作用是相互的。镰刀割草的时候，草同时也对刀刃施加力，割草的时间长了，刀刃会变钝。用手在脸上摩擦、涂化妆品的同时，脸也在摩擦手。所以，施力物体和受力物体是相对的。我们在分析受力的时候，一定要根据那个“作用”的指向来确定受力物体。在画力的示意图或力的图示时，作用点总是画在受力物体上的。比如，行驶的汽车压路面，这里的作用是“压”，受力物体就是路面；但如果说路面对汽车的“支持”，则受力物体就是汽车了（图1）。牛顿第三定律揭示，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，作用在同一条直线上。

人们经常利用反作用力来达到目的。桨划水时，对水施加向后的力，水同时给桨一个向前的力，最终让船前进。用鸡蛋烧汤前，先把蛋在锅口上磕碰一下，锅口的反作用力击破了蛋壳，蛋清和蛋黄就会流出来。利用吸管和牙签，我们就可以做一个演示反作用力的“马达”。给一支粗吸管的两端加热，在熔化过程中用钳子将管口捏在一起，使其封闭。在吸管中点位置开个洞，穿透吸管两侧。将一支稍细的吸管一段封闭，开口端从粗吸管中部的洞中穿过。在粗吸管的两个封闭端尖角处各剪一个小洞，两个小洞的位置要在不同侧。在细吸管与粗吸管的交叉位置也开一个穿过两侧的洞（图2）。从细吸管开口端向内吹气，气流就会从粗吸管的两头小洞中喷射出来，且方向相反，粗吸管就会飞快地旋转起来（图3）。为了防止粗吸管移位，可以在细吸管上缠绕橡皮筋来限位。

同样，我们也可以利用橡皮筋、螺旋桨、饮料瓶等，来做一个橡皮筋动力小车。用支架将螺旋桨、橡皮筋固定到饮料瓶制作的车身上，先将螺旋桨绕轴旋转若干圈，直到橡皮筋出现多个超螺旋结构，再放开螺旋桨。这时，橡皮筋的弹性势能转化为螺旋桨的动能，旋转的螺旋桨推动空气，空气反过来推动螺旋桨，小车就跑起来了（图4）。

利用这个原理，我们也可以用饮料瓶、橡皮筋、冰棒棍、小竹签，动手制作一个使用橡皮筋带动桨转动的玩具小船（图5）。

4种基本相互作用

对力的分类通常有两种方式：一是按性质来分，二是按效果来分。

从性质来看，自然界基本的相互作用分4种：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用（我们通常说的万有引力）。从鸡蛋摔破到恒星爆炸，都是这几种力在起作用。

小学时我们就知道，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。但是大家有没有这样的疑惑，原子核里的质子都带正电，它们应该相互排斥啊，怎么会“团结”在一起呢，而且还和中子紧密“相拥”（图6）？

其实，把它们拴在一起的“红绳”就是强相互作用。强相互作用在4种基本作用力中是最强的，但也是作用距离最短的，只在原子核直径范围内起作用，就像专为原子核“量身定做”的。而同种电荷相互排斥属于电磁相互作用，所以我们也看到电磁相互作用弱于强相互作用。

除了我们熟知的“同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引”“同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引”，弹力、摩擦力、分子间作用力也属于电磁相互作用。电磁力对生命体的构造也起着至关重要的作用。我们举重锻炼时，就是肌肉中的电磁力在与地球引力产生的重力抗衡。

弱相互作用的范围也很短，只发生在比原子核更深层的微观世界中，主要存在于衰变过程，初中就不研究了。

引力是4种基本相互作用中最弱的，它的大小与两个物体质量的乘积成正比，与距离的平方成反比。当物体质量比较小的时候，它们之间的引力可以忽略。我们就从来没有感受到身边的同学、路边的高楼、路过的宠物狗对我们的引力。但是，如果物体质量很大，比如太阳和地球，它们之间的吸引力就很大了，可以将一根直径为9000米的钢柱拉断。正是如此之大的引力，才能将地球束缚住，沿椭圆轨道绕着太阳运转，而不能随意离开（图7）。

同样，月球绕地球转动也是引力的杰作。引力和电磁力同属于“长程力”，作用范围无限远。在原子内部，粒子间的引力很小，可以忽略不计；但是在天体运行等宇宙宏观尺度内，引力常常起着决定作用。我们能够预测何时发生日食、月食，或者根据古籍记载的日食、月食现象判断当时的确切日期，很大程度上得益于对万有引力定律的掌握。

木星质量是地球的300多倍，拥有16颗卫星。木星强大的引力，导致离得最近的“木卫一”火山爆发不断。冲向太阳的彗星路过木星的轨道时，也常因被吸引而改变方向。仅1994年，就有21颗彗星与木星接连相撞。如果这样的撞击发生在地球上，哪怕只有一次，都可能让生态链断裂。但是地球因质量小，一般就不容易“招惹是非”，而且月球有时会“代为受过”，倒是安全多了。

月球和太阳对地球海水的引力，还导致了潮汐现象。潮汐现象中，月球作了主要贡献。正对月球的海水距离月球近，受到的引力大，从而向外运动（涨潮）；背对月球的海水受引力小，离心力大，也会向外运动（图8）。夏历以月相变化为依据，可以在一定程度上反映出潮汐情况，因此可以作为海事活动的指南。

潮汐导致海水与地表不停产生摩擦，消耗着地球转动的能量，日积月累，导致地球自转变慢。研究表明，40亿年前，地球的自转周期是10小时。也就是说，当时的一天时间是10小时。自转变慢对生命的诞生、演化、繁衍是有重大意义的，太快的自转会让地震、狂风、火山爆发等恶劣状况增多。随着地球转速减慢，月球也逐渐远离地球。目前，月球到地球的距离恰到好处，我们目视的月球表面直径刚好与太阳表面直径相同，日环食可以让我们直观地感受到这一点。

4种基本作用从强到弱的排序是强力、电磁力、弱力、引力。科学家在思考，有没有一种模型能将4种力统一起来呢？这就是所谓的“统一场理论”或者“大统一理论”。百年来，爱因斯坦、海森堡、德布罗意等众多科学家为此付出了大量努力。20世纪60年代，格拉肖、溫柏格、萨拉姆提出了将弱相互作用和电磁相互作用统一起来的弱电统一理论，并预言了几种新的粒子，因此荣获1979年诺贝尔物理学奖。1983年，理论中预言的粒子被实验发现。近几十年，又出现了弦理论和膜理论，到高中时我们会简单触及。

现在大家清楚了，初中讲的“重力”“弹力”“摩擦力”，是根据性质来分的。“重力”是由于引力产生的，而“弹力”“摩擦力”属于电磁相互作用，因为形变、摩擦均涉及分子与原子间的作用力。

那么，我们说的“拉力”“向心力”“回复力”又是咋回事呢？这是另一种分类方法，依据的是力的效果。不管这个力是如何产生的，只看它起到什么作用。促进特定方向运动的力就叫“动力”，至于是地球吸引的还是磁铁排斥的，都无关紧要。能让物体绕着某点做圆周运动的力就叫“向心力”，尽管“指向圆心做圆周运动”可能是几个性质不同的力共同作用的结果。所以，“压力”“支持力”“绳子的拉力”都是按照效果来命名的，从性质角度看，这3个力都是“弹力”。

（责任编辑：白玉磊）