力与运动——牛顿三大定律

1.速率、速度与加速度

速率表示运动有多快，用移动的路程除以所用的时间。速度则是在此基础上还包含方向的量。以每小时30 km绕圆形跑道骑行的自行车，速率不变，但方向一直在变，所以速度一直在变化。

加速度表示速度变化得有多快。它用1秒内速度变化了多少 m/s 来表示，所以单位是 m/s²（米每二次方秒）。不只是变快才叫加速，变慢、改变方向，也都是有加速度的运动。

单位换算也经常用到。1 km/h 是3600秒走1000 m的快慢，所以把 km/h 的数值除以3.6，就得到 m/s。

2.第一定律：惯性定律

物体不受合力（几个力合起来的力）作用时，静止的物体保持静止，运动的物体以同样的速度沿直线一直运动下去。这种保持运动状态的性质叫惯性。质量越大，惯性越大。

公交车突然起步时身体向后倒，是因为车向前走了，而身体还想留在原地。反过来，急刹车时身体会向前冲，因为身体想按原来的速度继续前进。安全带就是防止身体因惯性被甩出去的装置。

“要让物体一直动，就得一直用力”这种感觉，其实是摩擦和空气阻力造成的错觉。自行车停止蹬踏后会慢慢停下，并不是因为力消失了，而是因为摩擦力和空气阻力在反方向起作用。在几乎没有摩擦的冰面上或太空中，物体被推一下就会滑行很久。

3.第二定律：加速度定律 F = ma

物体受到合力作用时，会沿合力方向产生加速度。加速度与力成正比，与质量成反比。用同样的力推，空的购物车很容易加速，装满的购物车就不太容易加速。

力的单位是 N（牛顿）。1 N 是使质量为1 kg的物体产生1 m/s²加速度的力。在地球上，重力（重量）就是质量乘以重力加速度 g（约9.8 m/s²）得到的力。质量在任何地方都一样，重量却随地点而变。在月球上，体重约变为原来的1/6，但质量不变。

4.重的物体下落更快吗

“重的物体比轻的物体下落得快”，这个想法长期被当作常识。但如果忽略空气阻力，所有物体不论质量大小，都以相同的加速度下落。用 F = ma 就能说明原因。

质量是2倍的物体，地球对它的引力（重力 m × g）是2倍，但它难以被推动的程度（惯性，即质量）也是2倍。所以 a = F ÷ m = (m × g) ÷ m = g，质量约掉了，加速度总是 g（约9.8 m/s²）。在没有空气的月球表面，同时释放锤子和羽毛，两者同时落地，这个实验就证明了这一点。

在真实的空气中羽毛落得慢，是因为相对于它的重量，空气阻力很大。下落越快，空气阻力也越大，等到与重力相等时就不再加速，这时的速度叫终端速度（收尾速度）。降落伞就是通过增大空气阻力来降低终端速度的装置。

5.第三定律：作用力与反作用力定律

物体 A 对物体 B 施力时，B 也同时对 A 施加一个大小相等、方向相反的力。力不会单独产生，总是在两个物体之间成对出现。

走路时，脚向后蹬地面，地面就向前推脚，我们才能前进。火箭把燃气猛力向后推出，燃气就把火箭向前推。从小船跳上岸时，小船会被向后推开，也是同样的道理。

常见的误解是：“作用力和反作用力大小相等，所以会互相抵消。”这两个力作用在不同的物体上，所以不会抵消。卡车和自行车相撞时，彼此之间的作用力大小相等，但质量小的自行车加速度（速度变化）大得多，受损也更严重。

6.摩擦力——既是阻碍者，也是帮手

摩擦力是在相互接触的两个表面之间、沿阻碍运动方向作用的力。表面越粗糙、压力越大，摩擦力越大。自行车刹车靠摩擦让车轮变慢，这时动能转化为热，刹车就会发烫。

可是如果没有摩擦，人连路都走不了。因为鞋底和地面之间必须有摩擦，才能把地面向后蹬。在结冰的路上会滑倒，就是因为摩擦太小。轮胎上的花纹、台阶上的防滑条用来增大摩擦，机器的润滑油和轴承则用来减小摩擦。