茅以升:力学中的基本概念问题

时间:2016-11-28 来源:网络 作者:佚名 收藏到我的收藏夹
简介: 编者按 本文系茅以升先生1961年的文章,时过境迁,文中的部分思想和观点可能已经不再恰当,但是有些还是很有趣且有借鉴意义的。具体大家可以自己评判。 茅以升(1896年1月9日—1989年11月12日

第二定律。牛顿原来的写法是:“运动的变更和所加的动力成正比,其方向同那个力在加上时的直线一致”,这条定律的原意是要说明力的大小和运动变化的关系。但是,和第一定律一样,也是把力看成是外加之物,因而认为运动变化由于力的变化,而这是不对的。应当说,力和运动的变化都由于能量的变化,而且力更和物体的物理性质有关,如弹性、塑性等。

如有三个质量相等的球,在同一能量变化的条件下,那么,铁球与木球产生的力不同于木球与皮球产生的力。一般力学教科书都把这条定律写成;“力等于质量乘加速度”好象一个孤立物体有了加速度既可有力一样,请问,如果一孤立物体在运动中而有加速度,也就是有了力,则力随运动作了功,运动继续进行,功即加之不已,岂非创造了能量?如果力是两个物体的共同产物,那么公式中,所谓物体的质量和加速度究竟应当指那一个物体呢?而且,力的大小与物质属性有关,只问物体质量大小而不问它的弹性塑性,更不合理。

第二定律中所提的运动的变更,一般都认为只是物体整体运动的变更,而不把物体内分子运动的变更包括在内。这也是不全面的。分子运动的变更表现为物体的变形,变形也应当是物体运动的一种,与分子运动的同时,产生了应力,应力和分子运动的变更成正比例。和整体运动—样,分子运动的变更也是由于能量的变更。同一能量的变更,在整体运动上表现为物体加速度,在分子运动上表现为物体变形。

牛顿在宣布他的定律和相关理论时,对所谓力作了一个区分。在三大定律中,他把力说成是“外加力”,但在别处,他又常用“内在力”,好像这两个力有本质上的不同,然而他并未解释清楚。现在看来,如果他所用的外加力就是我们所谓的能量,而内在力就是我们所谓的惯量,那么,他上面的两个定律就该另行估价了。

第三定律。牛顿的原来写法是;“对每一个作用总有一个相等的反作用,或者,两个物体的相互作用总是相等的,而且,指向对方”。这个定律是牛顿的最大贡献,成为力学中最主要基础,因为在这里提到了物体运动中的矛盾本质,虽然他的看法还是片面的。特别值得注意的是,在这第三定律中,看不到一个力字,可见牛顿原意是在前两个定律内说明外加力(或能量)和物体运动的关系,而在这个定律内,就说明物体和物体之间在运动中的相互关系。可惜一般力学教科书都把这定律往往写成“力等于反力”,大大缩小了原来定义。牛顿在说明这个物体间相互关系时,不分物体是“静止”状况,或运动状况,也值得注意。

牛顿把关于物体运动的各种学说总结为三大定律,成为当时最有系统的理论,确是功不可没。如果把外力解释为能量,他的三定律也都是基本正确的。但是他忽略了物体属性和运动的相互关系,以至后来理论力学中都用“刚体”为对象,把力学变成数学的一个分支,则是非常不幸的。定律中提出了作用与反作用的矛盾,是自然科学中的一大贡献,可惜后来的力学研究中并末加以发挥。三定律中彼此联系不够,而第一第二两定律还有重复之处,也是美中不足。我认为,应该用矛盾观点,并以能量为线索把这三定律大加补充修正,并改称为“动性律”、“惯性律”和“予盾律”。

三、力学教科书中的形而上学观点

由于牛顿三大定律中没有明确指出力的物理概念,而后来的力学家很多受了形而上学思维方法的支配,特别是受了马赫的许多力学著作的影响,力学教科书中就几乎充满了唯心主义观点,直到今天还是如此。现就一般常见的书中随便举几个例,来说明这个情况。

最严重最不合理的是所有的“理论力学”都用“刚体”来说明运动和平衡的问题。“刚体”就是绝对不能变更形状的物体,而这是世界上所绝对没有的东西,这在教科书中也是承认的。为什么还采用它呢,因为如果物体没有变形,一切计算问题便可简化了。但是,简化计算是“量”的问题,能不能变形则是“质”的问题,如何能因量的简化而引起质的变化呢?世界万物干差万别,如何变形,是物体的一个极其重要的属性,不同变形的物体在一起,就引起大小不等的力,这是多么现实的一个物理现象!

为什么谈运动的“理论力学”就可撇开这个重要现象不问呢?不但如此,从上面所提的平衡和运动的两个例子来看,物体如不能变形,则平衡和运动都是不可能的,因而在“刚体世界”,力这个东西就无法出现了。物体接受能量时,力和运动变化同时产生,变化为零,力也等于零。人在电梯中,如果电梯下坠速度和人在空中下落的速度是一样的,相互间的运动变化等于零,那么,人的脚下就有无力的感觉,这是容易实验的。同样,物体变形也是运动变化,这个变化也应当和力同时产生。

例如一个“刚体”球放在“刚体”的台子上,而球和台子都受地球吸引,那么,这球与台子之间有没有“重力”呢?没有!因为球和台子之间,没有相对变形,就没有按触力,而球和台子内部没有应力,这时球与台子成为一体,它们之间不可能有相互作用。然而这个问题是无法实验,而只可理解的,因为世上没有“刚体”!力是分布在一个面上的,这个面有移动才能把力带进空间,移动有过程,这才把力带进时间,有了空间、时间,力才具备活动条件,不但“摆阵势”,而且,能“交锋”,“刚体”不能变形,力如何能在上面存在呢!

现在,力学教科书总把“静力”和“动力”分作两部分来讲,好象物体有静有动(实际是平衡与运动),而力也有静有动,本质上有所不同,因而把静和动划分为两个系统,造成静者恒静,动者恒动的错觉,这是完全背离了唯物辩证法的静止观点。力无所谓动静;而物体的“平衡是和运动分不开的”,而且平衡和运动是矛盾的;力学把“静力”和“动力”分开,就完全抹煞了矛盾,“没有矛盾就没有世界”,更没有力学了!“刚体”是不存在的,“静力”是唯心的。“刚体静力”当然更是幻想,然而所有力学教科书中,都有“刚体静力学”这一章。为什么要对学生讲世界上没有的东西呢?

力学教科书中常说的一句话:以“某一力作用于某一物”,把“力”和“物”完全孤立起来。然而,“单个物体的运动是不存在的,只有在相对的意义下才可以谈运动”。力是两个物体相互作用助产物,既谈物体,就离不开物体的属性,“物体的属性,只有在运动中才能显示出来”,在书上画一个圆圈代表物体,画一个箭头表示力是很容易的,但射箭时不管对乌还是对兽都是射,而力是要到两个物体碰撞时才产生,这不是“有的放矢”所能比喻的。

力学教科书中总是把力和能量混为一谈,总是把能量当作力。在上述的简单的拉绳和碰球的例子里,物体所以能平衡和运动,都是由于能量的增减而非力所能引起的。一个孤立的物体在运动时,它的能量的存在表现为物体的速度,这时它是孤立的,它不可能有力。一个物体为其它物所约束因而取得短暂平衡时,它的能量的存在表现为物体的变形。变形所以能维持,由于约束力,而约束仍是能量的表现。平常所谓静止的物体,多是由于重量而为另一物体所承托。这个物体有能量(所谓位能),有变形,有承托处的约束力。

可见,不论物体在平衡或运动时主动因素都是能量而非力,力只是由于变形的存在而随之存在。应该说,任何力都是伴随着物体的变形而起作用的,因力和变形都是在能量转化中同时产生的。任何力都表现为物体接触处的力和反力,也就是两个物体之间矛盾着的应力,和在一个物体之内分子之间矛盾着的应力。不妨说;世界上的一切力都是物体的应力。

力学教科书中又常说:在应力的影响下产生应变。或者,“应变影响产生应力”。不但是各书不一致,就在一本书中也前后不同,不管怎样,总是把力和变形说成是“母子”关系,一个由另一个产生,而这是完全片面的,实际上力和变形是同时产生为,它们是“孪生”关系。

力学教科书中,在“刚体静力学”内一定要讲“摩擦”。然而遇到“滚动摩擦”时就不得不说物体能变形;在“刚体动力学”内一定要讲“碰撞”,然而为了解释现象,又不得不说物体能变形.既说“刚体”又说它能变形,真是主观到无以复加!

思格斯在“自然辩证法”中,详细论述了17世纪末开始,笛卡儿和莱布尼茨这两大科学家两大学派,为了“力”的衡量,应当用“动量”还是用“动能”就争论了四十多年之久,虽经达兰贝尔下了“最后的判决书”,“但是据说每人都不妨各有所爱”,所以到头来,还是:“一场毫无结果的形而上学的争论,或一场没有价值的纯粹咬文嚼字的争吵”,这是因为他们所争论的都不是力,都是“张冠李戴”。由此可见,唯心观点实是害人不浅的。

四、在毛泽东思想指导下建立新力学

为了多快好省的学习力学并使这门基础理论学科更好的为社会主义建设服务,应当在毛泽东思想指导下对现行力学进行改革,建立起辨证唯物的新力学。

我建议:

(1) 力学应当建立在矛盾观点的基础上。“自然界的变化,主要地是由于自然界内部矛盾的发展”,物体的运动应当以物体的矛盾属性为根据,来推论外来能量的变化所引起的运动的变化;能量为外因,矛盾为内因,外因通过内因起作用。

(2) 在力学中,以能量转化为贯串物理现象的唯一线索,以力为分析平衡问题的一个数学工具。恩格斯说:“但是和力这个名词比较起来,无论如何还是宁愿要‘能’这个名词”,“力这个名词还是不成功的,因为它片面地表现一切现象”。“要知道,力正好应该是能的某种特定形式”。我认为:如果把能量当作“一根红线”把一切运动现象贯串起来,这根红线就不仅贯串起力学本身的问题,而且也贯串起力学和其它科学,如热力学、电学、磁学、声学、光学等的各种相关的问题。通过这根红线,各门有关科学就紧密联系起来了。在一切力学问题中,能量的转化了解是最主要而普遍的分析武器,只有在物体平衡的问题中,因为这时有约束力,力才成为一个很好的数学工具。

(3) 要清除现行力学中的一切孤立、静止和片面的形而上学观点,特别要停止以世界上没有的东西为对象,如所谓“刚体”“静力”“动力”等等。要改革力学中罗列现象而不重视联系的缺点。(4)把现行的“理论力学”“材料力学”两课同“结构学”等合并为一门学科,供土木建筑专业之用,同“机械运动学”等合并为另一门学科,为机械专业之用,余类推。应当把力学中的分割陈地,改按各种专业需要,分别统一起来。

本文转载自人人网黎崎的日志,原文出自茅以升文集,图片来源于茅以升院士纪念馆。

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