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什么是牛顿第一运动定律?

冰球、茶与运动

在积雪针叶树环绕的冰封池塘上,一个穿着蓝绿色冰球护具的孩子拿着球杆,一枚黑色冰球在离球杆很远的冰面上滑行。

嗒。你的冰球杆停下了。冰球却没有。它嗖地滑过冰面,好像有个更好的地方等着它去。是什么在继续推它呢?根本不需要有什么继续推!运动中的物体不需要一直被推着才能继续前进。这一点小小的惊喜,能帮我们解释一次漂亮的传球、一次平稳的送茶,还有一艘航天器那场格外漫长的告别。

冰封的池塘上,一个穿着蓝绿色冰球护具的孩子拿着与黑色冰球分开的球杆,冰球淡淡的残影沿直线排向装有白色球网的红色球门。

滑行的规则

艾萨克·牛顿的第一运动定律告诉我们会发生什么。除非有不平衡的力作用在物体上,否则它会保持静止,或者以相同的速率沿直线继续运动。力就是推或拉。“不平衡”意味着这些推力和拉力没有相互抵消。你的球杆让冰球开始运动时,就施加了这样的力。球杆一离开,冰球就继续赶赴约会。

积雪针叶树环绕的池塘冰面上有一枚黑色冰球,旁边画着横向运动线,冰球正面的蓝色箭头指向上方,黄色箭头指向下方。

托住了,还在滑

可是,重力在向下拉。冰球为什么不会穿过冰面沉下去呢?冰面向上推,平衡了重力向下的拉力。这些力不会改变它在上下方向的运动。托住它,并不会自动让它停止横向滑行。这种保持原有运动或保持静止的倾向,叫作惯性。没有秘密马达。也不是靠决心。物体就是这样表现的。

以雪中的池塘、长凳和球杆为背景的两幅图中,左边冰面上的黑色冰球带着一长串渐淡的残影,右边棕色地毯上的冰球只带着较短的一串残影。

短得多的旅程

不过,冰球最终还是会慢下来。是它的运动用完了吗?不是:我们忘了摩擦力,它是一种阻碍相互接触的表面之间滑动的力。在冰面上,摩擦力很小。在地毯上,摩擦力大得多。让冰球以同样的初始速率滑过地毯,它的宏大旅程就变成了短短的一小段挪动。摩擦力是我们忘记了的隐藏刹车;空气也会阻碍它的运动。

一个穿着蓝绿色冰球护具的孩子在虚线转向红色球门的拐点处用球杆接触冰球,另一条点线则沿直线延伸到球门外侧。

轻推一下,朝向球网

回到冰面上,下一次传球正朝着球门旁边滑去。一位队友用球杆改变了它的方向。啊哈,即使速率不变,转向也算改变运动。这同样需要不平衡的力。牛顿定律能帮你瞄准:冰球可不会仅仅因为球门看起来很诱人,就自己拐弯。

两幅图都画着孩子在桌子上方端着托盘,左边的冰球旁有运动线且杯中茶水在晃动,右边的茶水平静而冰球更靠近托盘中间。

茶旁来了意外乘客

练习结束了。冰球坐上托盘,旁边是一大杯茶。托盘猛地一动,茶杯咔嗒作响,冰球向后滑去。摩擦力还没来得及带着它们一起走,托盘就在它们下面先动了。起步柔和一些,就能给摩擦力留出时间,让它们一起加速。我们的隐藏刹车还有另一份工作:帮忙送茶。

两个穿着冰球护具的孩子坐在雪中池塘旁的长凳上,手捧冒着热气的杯子,看着一幅画有碟形天线探测器以及在行星附近弯曲的点线路径的太空图。

越过冰与空气

练习后喝茶时,大家聊起了能想象到的最长传球。旅行者号探测器已经在太空中滑行了几十年,并没有发动机不断推着它们向前。那里几乎没有空气让它们减速。引力仍在改变它们的运动,所以它们的旅程并不是以恒定速率沿完全笔直的路线滑行。不过,仅仅为了继续运动,它们并不需要燃料。没有什么宇宙地毯会让这趟旅行结束。

积雪针叶树环绕的池塘旁,一张木桌上放着托盘,盘中有一枚黑色冰球和一只带图案的杯子,平静的琥珀色茶水上方冒着热气。

平安抵达

托盘来到桌上,轻轻停下。摩擦力让茶杯和冰球也跟着一起减速。这就是牛顿第一定律在起作用:保持静止,或沿直线匀速运动,都不需要不平衡的力。开始运动、停止、加速、减速或转向,才需要。这样,你就能引导传球,也能送茶而不让茶水晃荡。冰球静静地待在茶杯旁。看来,这就是它约好的地方。