几乎所有的物理教科书都告诉我们,牛顿第二运动定律是F=ma,真的是这样吗?
如果您实际动手去翻阅牛顿写的《自然哲学的数学原理》(简称《原理》),看看书中到底写了些什么以及里头是怎样描述三大运动定律,您将会赫然发现,牛顿第二运动定律并不是写成F=ma,那他是怎么说的呢?
《自然哲学的数学原理》
《原理》的版本
1687年,《原理》发行第一版,于1713年及1725年又修订发行第二版及第三版。这三个版本,都是用拉丁文写作,且由牛顿亲自作序。
1729年,牛顿逝世后两年,莫特(Andrew Motte,1696~1734)根据《原理》第三版译成英文出版发行。2005年,大块文化出版社发行中译本,是根据莫特的英译本所翻译的。以下根据这本中译本来介绍这本书的架构与内容。
《原理》的架构与内容
这本书有三卷,第一卷是物体的运动;第二卷是讨论物体在介质(气体和液体)中的运动;第三卷的标题是“论宇宙的体系”,讨论万有引力理论在天体运动上的应用,其中包括太阳系的行星、行星的卫星、彗星的运行以及海洋潮汐现象等等。
这三卷之前有一短短的篇幅,内有八个定义、三个基本定律和六个推论,篇幅虽不大但是极为重要,是本书立论的前提。八个定义的前二个,分别定义质量和运动量:
DefinitionI:The quantity of matter is the measure of the same, arising from its density and bulk conjointly.
DefinitionⅡ:The quantity of motion is the measure of the same, arising from the velocity and quantity of matter conjointly.
牛顿在书中所写下的三个运动定律,第一和第三定律,都和物理课本写的差不多,但是,第二运动定律并不是写成“作用力和物体的加速度成正比”(F=ma),而是“运动量的变化量与作用力成正比”。
LawI:Every body continues in its state of rest, or of uniform motion in a right line, unless it is compelled to change that state by forces impressed upon it.
LawⅡ:The change of motion is proportional to the motive force impressed; and is made in the direction of the right line in which that force is impressed.
LawⅢ:To every action there is always opposed an equal reaction: or, the mutual actions of two bodies upon each other are always equal, and directed to contrary parts.
第二定律中的“the change of motion”指的是运动量的变化。配合前述的二个定义,可以知道牛顿将“运动量”定义为“质量与速度的乘积”,也就是目前大家所知的“动量”(一般用符号P来表示)。
因此,若以数学式来写,应该是F=△P/△t或以微分的形式写成F=dP/dt,而不是F=ma。
F=ma不是牛顿说的?那是谁说的?把牛顿第二定律写成F=ma形式的是被称为是数学界的莎士比亚的欧拉(Leonhard Euler, 1707~1783),他在1752年在研究力学时将这个定律写成F=ma的形式,这时牛顿早已经不在人间了。
此力非彼力?
进一步分析八个定义中的第三和第四个,分别是定义惯性和力。
Definition Ⅲ: The vis insita, or innate force of matter, is a power of resisting, by which every body, as much as in it lies, continues in its present state, whether it be of rest, or of moving uniformly forwards in a right line.
Definition Ⅳ: An impressed force is an action exerted upon a body, in order to change its state, either of rest, or of uniform in a right line.
仔细探究,可以发现牛顿认为惯性就是物体固有的力(innate force of matter),这是一种什么样的“力”呢?牛顿在这个定义之后的说明中说道:这个固有的力可以用最恰当不过的名称,惯性力或惯性来称呼它。
但是,只有当其他力作用于物体,或是要改变它的状态时,物体才会产生这种力。这种力的作用,既可以看成抵抗力,也可以看成是排斥力。
定义四中的作用力(impressed force)就是第二定律里的作用力(the motive force impressed)。
在定义四的说明中,牛顿特别强调,这种力只存在于作用之时,作用消失后并不留存于物体中。由此可以看出,这个力和定义三里的力,意思是不太一样的。
有学者认为,牛顿在此所称的“impressed force”,应是我们现今所谓的冲量(impulse,定义为力乘以作用的时间,写成I),“the change of motion”指的是动量的变化,而非动量的变化率,因此,《原理》中的牛顿第二定律,用现代的形式来写,应该是F=△P/△t。
再回头看看第三定律,里头用的字眼是action,而没有提及force,到底牛顿的action是不是我们现在所以为的作用力呢,的确耐人深思。
由以上可以看到,牛顿所谓的“力”,可能蕴含好几种意思,和现今的力的概念不尽相同,这样的说法不无道理,因为在牛顿及牛顿之后的时代,人们对于力以及能量的概念依然混乱不清。
十七世纪下半叶,曾经发生一场有关笛卡尔派(mv)和莱布尼兹派(mv2) 的争论,让欧洲各国的学者都卷入了讨论。
1847年,赫尔姆霍兹(Helmholtz)提出所谓的能量守恒,他当时所用的字眼,是“活力”和“张力”,而不是“动能”和“势能”。直到十九世纪中叶,“力”和“能量”的概念才较清楚地被分辨出来。
牛顿的确没有写下F=ma!
教科书里简约、片段、修整过的知识及公式,常会让我们对某定律或公式的产生与发展有所误解或毫不了解,因此若只精读教科书,的确会让人斩钉截铁地以为牛顿真的在书上写下了F=ma这个公式!
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