牛顿力学三定律(力学三定律)及其应用

力学是一门研究物质机械运动规律的科学。机械运动是物质运动最基本的形式。其他运动形式包括热运动、电磁运动、原子和内部运动以及化学运动。

英文单词“mechanism”是力学(来自希腊语——mechanical)。在英语中，力学是一个多义词，可以解释为“力学”或“力学”或“结构”。在其他欧洲语言中，这个词的词源和语义与英语相同。汉语中没有一词多义的对等词。力学在20世纪50年代作为研究力量作用的学科术语传入中国时，被翻译为“强调学习”，后来又被翻译为“力学”，并一直沿用至今。“机械”和“机械”在英语中与mechanical相同，而现代汉语中的“机械”可以理解为“死板”。不同语言中词义包容性的差异有时会导致国际学术交流的倒退。比如力学自然观，其实就是指用力学解释自然的观点。因此，力学可以说是力和(机械)运动的科学。

研究机械能和力及其与固体、液体和气体的平衡、变形或运动的关系。力学可以分为三个部分:静力学、运动学和动力学。静力学研究力的平衡或物体的其余部分。运动学只考虑物体如何运动，不讨论它与力的关系。讨论动态物体的运动和施加在其上的力之间的关系。大型风洞、水洞等现代机械实验设备，其建立和使用本身就是一项综合性的科技工程，需要多类型、多学科的合作。

力学主要是分析力对物体的影响。力有大小和方向，所以力是矢量。

牛顿运动定律包括牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律，由艾萨克·牛顿于1687年在《自然哲学的数学原理》一书中总结提出。其中，第一定律解释了力的含义:力是改变物体运动状态的原因；第二定律指出了力的作用:力使物体得到加速度；第三定律揭示了输出的本质:力是物体之间的相互作用。

牛顿运动定律中的定律相互独立，内在逻辑与自洽一致。它的适用范围是经典力学的范围，适用条件是粒子、惯性参照系、弱引力场、宏观和低速运动。

17世纪末，牛顿继承和发展了前人的研究成果(尤其是开普勒的行星运动三定律)，提出了机械运动的三个基本定律，使经典力学形成了系统的理论。根据牛顿三定律和万有引力定律，成功地解释了地球上落体的规律和行星的轨道。

牛顿第一运动定律

牛顿第一运动定律，简称牛顿第一定律。又称惯性定律和惯性定律。常见的完整表达:任何物体都应该保持匀速直线运动或静止，直到外力迫使其改变运动状态。

改变物体的移动速度需要外力。不仅如此，物体还会抵制这种变化。物体的这种阻力叫做惯性。对于滚球来说，你不需要太多的努力就能让它改变方向。但是如果你用同样的力度推一辆运动的车，车的方向变化很小，你甚至看不到车的运动发生了变化。原因是汽车的惯性比球大得多。物体的惯性显然与它所包含的物质的量有关。

人的性格往往有惰性或惯性。他们总是喜欢保持原有的生活节奏或习惯。他们需要内在的动力和外在的压力来迫使他们做出改变，他们经常有矛盾的情绪。

牛顿第二运动定律力和加速度

牛顿没有停留在惯性定律的定性描述上，而是将其量化，提出了运动第二定律。

牛顿第二运动定律的一般表达式是:物体的加速度与作用力成正比，与物体质量成反比，与物体质量的倒数成正比；加速度的方向与力的方向相同。

F=ma

f:力，M:质量，A:加速度。

从上面的方程可以看出，物体的质量越大，改变其运动速度就越不容易，所以质量是表示物体惯性的一个量，称为惯性质量。这也解释了质量大的铁球下落时，虽然重力比质量小的球大，但阻碍下落的惯性质量也比较大，所以质量不同的铁球速度是一样的(惯性质量等于重力质量)。

惯性定律是第二定律的特例。如果力为零，那么加速度一定为零，速度不变。

当你把球扔进空时，球会加速一定距离，然后呈抛物线下落。球受到三种力的作用，推力、重力和空气摩擦。然后，想象你以更快的初始速度投球。当然，球落地前会飞更远的距离。然后，让我们想象一下，以如此快的速度扔球，球不会掉在地上。球的轨迹会向地面弯曲，但地面是弯曲的，所以一个运动足够快的球可以与地面保持固定的距离，即使球一直落到地面。这种情况类似于月球的运动。只不过月球是以椭圆轨道而不是圆形轨道绕地球运行。月球也在不断地向地球坠落，但是月球的水平运动速度非常快，它可以在地球表面绕着自己的轨道运动。

上面提到的超快速度就是宇宙速度，达到宇宙速度的火箭可以脱离地球引力，飞向太台空。

如果任何物体想离开它的天体系统，它必须能够在速度上摆脱它的引力，我们称之为宇宙速度。第一宇宙速度，也称环绕速度，是指物体在接近地球表面的圆周运动中的速度，即卫星的最小发射速度，为每秒7.9公里。第二宇宙速度，又称脱离速度，是指物体完全摆脱地球引力束缚，飞离地球，绕太阳转一圈所需的最小初速度，其大小为每秒11.2公里。第三宇宙速度又称逃逸速度，是指地球上发射的物体摆脱太阳引力飞出太阳系所需的最小初速度，大小为每秒16.7公里。第四宇宙速度是指地球上发射的物体摆脱银河系引力束缚飞出银河系所需的最小初速度，其速度估计为每秒110到120公里。第五宇宙速度是指宇宙飞船从地球发射并飞出当地星系团的最小速度。由于当地星系团的半径和质量没有足够精确的数据，数据大小无法准确得知。目前，科学家估计当地的星系团大约有500万到1000万光年。按照这个计算，大约需要每秒1500到2250公里才能飞走。

如果地球的质量更大，那么地球的引力会更强，宇宙的速度也会更高。现在，我们想象一个天体，它的质量如此之大，以至于它的宇宙速度超过了光速(大约每秒30万公里)。因此，任何东西，甚至光，都无法逃离这个天体。这样的天体就是黑洞。

牛顿运动力和加速度第三定律

牛顿第三运动定律的普遍表述是:两个相互作用的物体之间的力和反作用力，总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

牛顿运动定律在研究对象上具有递进关系。第一、第二定律只研究单个物体(可以只有一个物体，或者一个物体可以从多个物体中孤立出来作为研究对象)，解决其在无力或多种力作用下的运动问题；第三定律拓展了研究对象，至少研究的是两个对象之间的相互作用，制约或影响研究对象或研究对象以外的其他对象的运动。只有将第一、第二、第三定律有机结合起来，才能解决所有复杂的动力学问题，才能从质点的动力学出发，解决质点系、刚体、流体、振动、波动等力学问题。

牛顿运动定律是基于牛顿力学的基本假设。

①空之间的空间是绝对的，可以认为是空之间的数学抽象空间，与空中的填充材料无关；

(相对论认为空是相对的，在空和空之间收缩，接近光速。告诉时间空如何弯曲，时间空如何移动)

②时间是连续的，均匀流逝的，无穷无尽的；

(相对论认为时间是相对的，时间在接近光速的空之间膨胀。)

③时间与空没有关系；

(相对论认为时间空是一，不同的时间空之间有不同的时间。)

④时间与运动状态无关；

相对论认为时间与运动状态有关。)

⑤物体的质量与其运动状态无关。

(相对论认为质量在空会趋近于无穷大，接近光速。)

牛顿力学体系本质上是基于四个独立“概念”的建筑。这四个基本概念是绝对质量、绝对“空空间、绝对“时间”和“力”(或“场”)。这里的“绝对化”实际上是指不受物体运动状态的影响。

牛顿运动定律很好地逼近了日常条件下的宏观物体。然而，牛顿定律(将万有引力与经典电动力学相结合)在某些情况下并不适用，最显著的是在非常小的尺度、非常高的速度或非常强的引力场中。因此，这些定律不能用来解释半导体中的电传信息资源、物质的光学性质、非相对论修正全球定位系统中的误差和超导性等现象。解释这些现象需要更复杂的物理理论，包括广义相对论和量子场论。

牛顿运动定律只适用于粒子，牛顿运动定律中提到的物体都是粒子。也就是忽略了物体的大小和形状，所以更容易注意它的运动。当对象与其分析中涉及的距离相比较小时，或者当对象的变形和旋转不重要时，可以这样做。这样，甚至可以将一颗行星理想化为一个粒子来分析恒星围绕恒星的轨道运动。

牛顿运动定律只适用于惯性参考系。孤立粒子静止或匀速直线运动的参照系是惯性参照系。牛顿运动定律在非惯性参照系(加速度参照系)中不适用，因为不受外力作用的物体在这个参照系中也可能有加速度，这与牛顿第一运动定律是相悖的；牛顿运动定律只适用于惯性参考系。但是，通过惯性力的引入，牛顿运动定律中第二定律的表达式可以应用于非惯性系。

相对于惯性坐标系加速的参考坐标系必须是非惯性坐标系。由于旋转产生加速度，相对于惯性坐标系旋转的参考坐标系也必须是非惯性坐标系。自然界没有严格的惯性系，任何物体之间都存在万有引力，参考系中选取的参考物体总是受到引力的作用而产生加速度。一般认为太阳系是比地球系统和地球系统更好的惯性系统，其次是地球系统。

自1905年以来，爱因斯坦的相对论推翻了牛顿建立的大多数科学体系。爱因斯坦指出，当牛顿运动定律超出经典力学的范围或超出质点、惯性参照系、宏观和低速运动问题等的适用条件时，它就不再有效。

牛顿运动定律只适用于宏观问题。要解决微观问题，必须运用量子力学。

牛顿运动定律只适用于低速问题。如果物体的速度接近光速，就必须用狭义相对论。