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寒门让我把“正确”的理论拿出来,当然我要拿出来了。
原题如下(经过寒门提醒,去掉了其中的笔误。请寒门不要见怪!当然,寒门能自己看出我原来的笔误之处,说明我原来的笔误尚不至于使寒门发表的解题过程中有错误。如果使寒门在解题过程中走了不必要的弯路,则请寒门原谅。修改之处已经用红色注明):
| 假设甲乙两物体叠放在水平桌面上,然后我以一定的水平拉力F去拉下面的物体甲,使甲乙一同加速运动(即甲乙的加速度相同,这种情况是有的吧),则
1>在水平方向上,甲受到几个力?分别是多大?甲物体的动力学方程是什么?
2>在水平方向上,乙受到几个力?分别是多大?乙物体的动力学方程是什么?(请把甲和乙的动力学(原文为运动学)方程分别列出来).
3>如果甲乙是通过钉子钉到一起的(钉子质量很小,当然如果寒门不愿意忽略钉子质量可以设为m3)或者用其他方式连接在一起,则上述各问应该是什么结果?
已知拉力为F,甲乙质量分别为m1和m2,甲与地面的摩擦因数μ1,乙与甲(原文为地面)的摩擦因数μ2,重力加速度为g. |
首先,我要说明的是,在本题中,我始终以地面为参照物。则甲乙两物体的加速度相同,都是a。然后我们看能否从甲乙二者的运动学方程中计算出来并与用钉子连接时做对比。
1、对于甲来说,水平方向受到三个力:①拉力F、②地面给甲的摩擦力f1=μ1(m1+m2)g、③乙对甲的摩擦力为f2(肯定这个力不应该超过μ2m2g)。其中f1和f2方向与拉力方向相反。则甲的动力学学方程为F-f1-f2=m1a甲即:F-μ1(m1+m2)g-f2=m1a甲。此为Ⅰ式。
2、对于乙来说,水平方向只受到一个甲给乙的摩擦力f3。这个力和前面的f2为一对作用力和反作用力,方向与拉力方向相同(当然与f2相反了,因为f2与拉力方向相反!)。既然乙在水平方向只受到这一个力(乙受到的其他力与这个力垂直),自然不会有什么力能和这个力平衡!所以,乙的动力学方程为f3=m2a乙即f2=m2a乙。此为Ⅱ式。
(其中各矢量我用的是绝对值,只表明其大小。我相信寒门能明白!)
以上的Ⅰ、Ⅱ两式组成方程组,两个未知数(a甲=a乙嘛,只算一个未知数,另外一个是f2)有两个方程,可以解出加速度和此时二者间的摩擦力。
计算结果是:a=[F-μ1(m1+m2)g]/(m1+m2).二者间的摩擦力f2=m2a=m2[F-μ1(m1+m2)g]/(m1+m2).
3、如果二者间靠钉子(质量很小,可忽略)连接的话,则我们只需把上面式子中的f2和f3理解成钉子对甲乙的作用力。(当钉子质量很小时,二者大小近似相等。如果这个道理寒门不认可的话请在本文后面的回复中说明,我将予以讨论)。则计算结果和前面相同(仅限于和甲乙没有相对运动情况时相同,如果F过大,则甲乙不能靠彼此间的静摩擦力保持相对静止,这时的情况当然和用钉子连接时不同了)。
那么我们从这里可以看到什么问题呢?就是牛顿定律的严密性!为什么这样说呢?
假设现在有一个复杂的设备,里面究竟是怎么样的,我们没有人能知道。也许内部各部分是靠静摩擦力联系着,也许是靠钉子或者胶水以及其他任何你可以想象到或者想象不到东西连接着。但只要告诉你这个东西的质量以及它和地面的摩擦因数,那么在给定的拉力作用下(当然这个拉力应该是不至于破坏其内部各部分相对静止),其加速度就一定相同。
换句话说,假设我和地面的摩擦因数是0.1,我的质量是75kg,则在一定的拉力下我和同样拉力作用下的质量75kg、摩擦因数也是0.1的箱子、铁块.......的加速度的一样的。而我,是一个复杂的固体、液体、气体的混合物(其中肯定有的部分——如血液——和我身体的其他组织是靠摩擦力连接的<当然,我不是生理学家,这里可能有的词不甚确切,但我相信其中的精神寒门是明白的>)。
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所谓牛顿定律,成立的条件是在惯性系上(当然还有低速、宏观的条件)!对于非惯性系,牛顿定律是不成立的!请看高中物理教师教学用书(原文在人教网上,请找http://www.pep.com.cn/200410/ca544327.htm之“(一)概念、规律和背景资料”下的“惯性系和非惯性系”部分。请寒门看了后再说话! |