其中,F为行星受到的力,M和m分别为两个物体的引力质量,r为两个物体之间的距离,G为万有引力常数。通过这个公式计算出来的行星轨道跟数据符合得非常好(其实这公式本来就是通过数据凑出来的~)。
不过,行星是通过这个引力提供做圆周运动的向心力,那么如果没有运动会怎么样?也就是说,如果一个物体是静止的,他没有初速度,它只受这个引力的作用,它的运动情况会是怎么样的?
分析起来也非常的简单:牛顿第二定律已经告诉我们F=ma(合外力等于惯性质量乘以加速度),既然物体所受的合外力是万有引力,那么把上面引力的公式代入牛顿第二定律就可以算出加速度了,即:
这里有个问题,公式的左边右边都有一个质量m,这个m到底可不可以约去?在中学学物理的时候,老师基本上都是默认给约去了,其实这两个质量是概念是不一样的。左边的m是牛顿第二定律里的质量,这个质量表征物体惯性能力的大小,所以叫惯性质量,而右边的质量m表征物体受引力的大小,这个质量叫引力质量。这是不同的两个概念,虽然都是质量。但是在牛顿那个时代,大家默认就把它约去了,默认认为惯性质量和引力质量是一样大的(实验在非常小的精度里也没有发现他们有啥不同),这种差异后来被爱因斯坦敏锐的捕捉到,成为了广义相对论的重要灵感来源。
把两边的质量m都约去之后,我们就得到:a=GM/r^2。
这意味着什么呢?这意味着如果一个物体只受地球的引力,它的加速度就可以写成这个样子,它只跟地球的质量M,物体与地球质心的距离r(在地球表面的话就近似等于地球半径),还有万有引力常数相关,而这三个数:都-是-常-数!所以加速度a也应该是一个固定的值。
04最大的脑洞
现在天上地下分别出现了两条线索:在地上,伽利略通过测量距离和时间的关系,发现了自由落体运动是一个匀加速运动;在天上,牛顿分析只在万有引力下运动的物体的运动情况,发现这也是一个匀加速运动,而且它的加速度只跟地球质量、半径还有万有引力常数有关。
但是,牛顿虽然发现了万有引力常数G这个东西,却无法测量出它的值到底是多少(实验受限,直到100多年后卡文迪许才测出万有引力常数G的值来),所以牛顿只知道那个加速度是一个定值,但却无法算出它是多少,否则就可以直接验证了。
自由落体运动和只受地球引力的运动的加速度都是一个定值,它们到底是不是同一种运动?这到底只是一个巧合还是它们背后的本质原因都是一样的?如果地球的对苹果的引力刚好就是让苹果自由下落的那个力,那么水往低处流,球和炮弹在天上走的弧线也都是同样的原因,那么一切都解释的通了。
如果真的是这样,那么我研究地上也就是在研究天上,天上地下遵循着同样的规律,星空将不再神秘,太阳系内上帝再也没有发号施令的权力!牛顿啊牛顿,你知不知道你到底在想什么,如果真的是这样,那么天上地下将再无任何秘密可言,这种想法太疯狂了!
经过深思熟虑之后的牛顿最终给出了肯定的答案。有了引力的助阵,那个时代地球上各种运动的力源就都被找到了,而根据牛顿第二定律,力是物体产生加速度的原因。那么,我只要把物体受的力都搞清楚了,那么就可以通过牛二知道物体的加速度,知道了加速度就可以知道物体是怎么运动的,后面的无非是计算简单点或者复杂一点而已。
05动力学和运动学
所以,后面的一切问题就被分成了两部分:一部分是分析物体的受力情况。我们现在知道人类目前已知的各种力归根结底是引力、电磁力、强力、弱力四种,在牛顿那个时代,电磁力、强力、弱力都还没有被发现,所以引力几乎就是唯一的了。了解了引力的性质,我们基本上就可以分析出运动物体的受力情况,这一部分就叫做动力学。
物体的受力情况都分析好了之后,利用牛顿第二定律就可以算出它的加速度,然后分析物体的运动情况。我们想知道物体在什么时候在哪里,速度是多少,物体受力带来的加速度会使物体的运动怎样变化,这部分就叫做运动学。
我们再仔细看一下牛顿第二定律的方程:F=ma(F为物体受到的合外力,m为物体的惯性质量,a为加速度)。这个方程的左边是F,代表物体的受力情况,物体的右边是加速度a,这个代表物体的运动情况。所以,牛顿第二定律其实就是联系动力学和运动学的纽带,它告诉受力的物体要怎么运动,所以它才这么重要。
06结语