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第38章 惯性与引力

我们知道:物体的质量不仅具有惯性,同时也会产生引力。物理学称前者为惯性质量,称后者为引力质量。

牛顿第二定律有公式为:力=惯性质量×加速度。

而牛顿万有引力定律有公式为:力=引力质量×引力场强度。

为了了解惯性质量与引力质量之间的关系,可以消去上面公式中的两个“力”,就会得到一个新的公式:加速度=(引力质量/惯性质量)×引力场强度。要证明惯性质量与引力质量是否相等,做一个并不复杂的实验就可以了:在高空相同位置让不同物体做下坠运动,由于地球上相同位置的引力场相等,若不同物体的加速度是相等的,那么惯性质量就会相等于引力质量;反之,若不同物体的加速度不相等,则惯性质量与引力质量就会是不相等的。

为了证明上一点,在十九世纪末期已有物理学家做了非常精确的实验,结果表明引力质量与惯性质量是相等的。

实际上,惯性质量并非是与“引力质量”相等,而是惯性质量本身就是“引力质量”,根本不存在什么惯性质量。惯性实际上也是一种力,它就是我们人人都熟悉的“引力”。但要注意,上面所提到的引力质量、引力都是带双引号的。为什么要加双引号呢?这是因为引力实际上不仅仅只是引力,而是一个综合力,是地球的综合力,即地球引力对比斥力的综合作用。

下面详细地证明一下上面的说法。

一、可以从原理上来证明。

世界上存在力而且只存在力,所以惯性是由物质的力量引起,而不可能是一种空无的、没有物质实体的东西。假如地球上所有的物体都具有惯性,那么这个惯性无疑只能是由地球的力量引起,地球存在什么力量?地球存在着吸引作用,而这个吸引作用并不可能单单只有引力,它也会存在着斥力,因为只有引力而没有斥力,则地球上的事物都会被完全地吸引到地球之中而与地球成为一体。因此这个吸引作用是地球的引力对比斥力之后的综合吸引作用,里面包含着引力与斥力两种力量的对比。

二、可以从实际情况来进行分析和证明。

其实并不存在什么惯性,物体之间的作用只不过是因为物体之间的力互相转移造成的。如果一定要承认惯性,则惯性就是由于地球的“引力”,亦即地球的综合作用,与物体之间的力的作用变化而引起的一种现象。

举个例子,一个方形物体放在一辆车子上,在各种情况下是否会有所谓的惯性出现呢?

若果我们以比现代的物理学稍为微观的角度来看,两个相贴的物体间会有许许多多的小凹凸。假设车面稍向前方斜倾、即后方稍高,这时会由于向下的重力作用,亦即地球对物体所产生的综合吸引作用,物体会有一个向下的力。当接触面十分光滑,即小凹凸不多的时候,重力的作用就会比车子的小凹凸对物体的作用更大,于是物体就会沿接触面倾斜向下运动。假若接触面并不光滑,那么方形物体向下的力就会作用到车面的小凹凸之上。假若接触面的粗糙程度使得车子的小凹凸“向上”的力的作用,比向下的重力的作用更大,那么,方形物体就会由于受到接触面的小凹凸更大的作用而不得不静止。至于物体接触面越光滑,静止之惯性越小的原因同样是如此,实际上都是接触面的小凹凸的力和重力二者之间的作用相对地变化引起的。

生活中有一个比较常见的物理现象:车子加速度越大,物体向后的惯性就会越大。为什么会这样呢?这是因为力没有发生改变时,物体原来的运动状态是不会改变的,即物体会保持原来的状态。当车子加速,就说明了力在发生变化,那么这个力的变化就是决定未来运动状态如何变化的关键。由于力会因为接触面的关系而产生消耗,传递时会有速度滞后的现象发生。或者认为是,车子的加速力会由于接触面的关系而产生消耗,方形物体不可能即时得到全部的加速力。所以车子加速度越大,则力的增大速度越急,接触面对力的消耗也越大,于是方形物体的加速度就会越不能及时的跟上车子的加速度,所谓的惯性也就越来越大。

同理,若车子急刹车越快,由于接触面的关系,物体的减速度就会越跟不上车子的减速度,物体向前的惯性也就越大。

还有一个现象:物体与车子接触面越粗糙,向后的或向前的惯性就会越小。为什么会这样呢?其实这是因为接触面越粗糙,方形物体就越易得到较多的加速力或越易得到较多的减速力。

这些例子说明了,假若在原状态下出现了一个新的力去改变原状态,这个力影响了两个物体或多个物体,这两个物体或多个物体就会由于各自的力的传递结果有所不同而出现得到的力并不一样的情况。于是这两个物体受原来的可以认为基本不变的重力影响,和新得到的有所不同的力影响,就会形成新的不一致的运动状态。人们认为出现滞后运动等现象的物体是受到惯性的影响,实际上在现实中不可能存在“没有物质基础的惯性”。

至于在高空让不同的物体落下,以之来证明惯性质量等于引力质量,其实大可不必,因为惯性质量实际上就是引力质量,二者只为一体。

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