物体如果“不受外力”怎样运动

在地球表面上,人们直观上认为物体有时受到外力作用,也有时没有受到外力作用。其实,自然界中没有绝对不受外力作用的物体。所谓的不受外力作用,实际上是这个物体受到的外力作用之和为零,即受力平衡。如图1.4所示。那么物体在受力平衡时将会怎样运动呢?

图1.4　物体受力平衡

物理学家伽利略较早地关注了这个问题。他曾对物体沿斜面的运动做了很多次的观察研究。他注意到,以一定速度运动的物体,当沿斜面向下运动时,它的速度将越来越大;当沿斜面向上运动时,它的速度将越来越小。这些都是物体因为受到重力的作用而引起的。由此伽利略就推论出,如果物体既不向下、也不向上,而是在水平面上运动的话(重力在这个方向上不起作用),那它的速度将维持不变。这就是说,物体运动中如果“不受外力”作用时,将维持速度不变的连续运动。伽利略当时也知道,即使是在水平面上的运动,物体的速度也不可能保持不变。他很细心地把这归之于摩擦的作用,并令人信服地又做了类似下面的论证。

当用力扔一个小球使它在水平面上开始运动后,它总是要连续运动一段时间后才停下来。它连续运动的时间和平面的状况有密切关系。以同样速度开始运动的小球,在草地上跑不了多久就要停下来;在硬地上跑的时间长些;在平滑的冰场上跑的时间就更长些。在这些情况下,运动的小球能停下来,都是摩擦力阻碍的结果,而摩擦力越小,小球连续运动的时间越长。从在冰场上小球的运动再想下去,如果是在非常光滑、完全没有摩擦的水平面上,即小球在运动中不再受外力作用时,它一旦开始运动后,就必将沿着原来的运动方向并保持原来的速度连续运动下去,直到这水平面的尽头。通过这样的论证,伽利略得出了他自己的结论:一个运动着的物体,在不受外力作用时,将保持自己的速度(大小和方向)不变。这就是说,维持运动并不需要力的作用。

我们知道,一个处于静止状态的物体,不受外力作用时是保持静止的。静止可以看作运动的特殊情况,即速度保持为零的情形。从这个意义上说,伽利略的上述结论,虽然说的是运动的物体,它实际上也包括了静止的情形。

在伽利略和其他人研究的基础上,牛顿全面地研究了关于物体运动的规律,写在他所著的《自然哲学的数学原理》(1868年出版)一书中。牛顿的原文是:“一个物体将保持它自己的静止状态或匀速直线运动状态不变,直到它受到外力的作用迫使它改变这种状态为止。”这就是牛顿第一定律。