关于力介绍

[拼音]：li

[外文]：force

物体之间使物体加速或变形的相互作用；它是物理学中使用最广泛的基本概念之一。

力有很多种，例如，地球的引力，发动机的活塞上所受的燃气压力和大气压力，建筑物上所受的风荷载，物体运动所受的空气或水的阻力，电磁引力和斥力，核子间的作用力和物体接触中的压力和摩擦力等。实际上，自然界的物质有四种相互作用即四种力，万有引力、电磁力、结合原子核各成分间的所谓“强”作用力和“弱”作用力。

在日常生活中，推拉物体时能直觉地产生“力”的模糊概念。推一物体时，它就可以发生运动；物体在滑行时，由于摩擦力的作用而逐渐变慢，最后停了下来；喷气飞机上发动机的推力使飞机能高速飞行等，都反映了力的作用。中国的《墨经》上就把这个概念总结为“力，形之所以奋也”，即力是使物体奋起运动的原因。所以，力是那样自然地反映到人的意识中去的，但是要人们克服直觉所理解到的概念而得到“力”的严格的科学定义，却经历了长期的斗争。

发展简史

在西方，力的概念首先产生在古希腊的哲学争论之中。在早期希腊的宇宙论学派（如泰勒斯等人）中，认为自然是有生命的，像人体一样，是自己运动的活的组织。在这种哲学思想指导下，并不存在运动的起源命题，也没有“力”的概念。后来帕门尼德从逻辑推理提出了运动并不存在的观点，他的反对者提出了运动的源泉是“力”来证明运动是存在的。这样，就无形中意味着承认了“力是因，运动是果”的原始的因果论观点。

柏拉图的力的概念基本上是非物质的，自然之所以赋予运动的本性，完全是因为有一个不朽的活着的精灵。他认为自然界的所有力的最后源泉是隐藏着的世界灵魂，它才是一切物理活动的根源。

在亚里士多德的著作中，力被看作从一个物体发射到另一个物体中去的。这种发射的力本身不是物质，而是一种“形式”，它是依赖于物质而存在的。因此，根据这种力的概念，其作用只能限于相互接触的物体；只有通过推或拉，才能有相互影响作用。亚里士多德的这种力的概念完全摈弃了不接触而通过远距作用的力的存在，于是，行星运动只能假说行星自己有发动机驱动；恒星只能假说它自己是有生命的。但亚里士多德首先提出了所谓“运动定律”，认为运动物体的速度和通过介质时受到的阻力成正比，他并没有提出所用的量的量度单位，也没有测量这些量的方法。亚里士多德认为物体的重量是表示“自然运动”的，即表示物体有返回到它自然位置的倾向，而不代表物体受迫运动的原因。这种认识排除了把重量作为量度力的单位的可能性。在整个中世纪，由于思想上深受亚里士多德的束缚，在力的概念上并没有什么进展。

伽利略对经典力学的建立有着重要的贡献，但对力的概念的形成则并不完备，他对质量的定义是模糊的，所以，他并不能给出力的清晰的定义，使这种定义既能用于静力学，又能用于动力学。当然，他对惯性原理是理解的，他的惯性原理指出，物体在不受外力作用的条件下，将能连续地进行常速运动。他把力和速度的变化联系在一起，破除了亚里士多德把力和速度联系在一起的长期的思想束缚，开辟了I.牛顿把力和加速度联系在一起的道路。

J.开普勒和伽利略一样，对牛顿建立力的概念起着极为重要的作用。开普勒根据第谷长期的星象观测资料和对这些观测的反复研究，终于在1605年认识到行星轨道运动是因行星受到了吸力而造成的，但对吸力的性质并不清楚。这种吸力是通过空间从吸引中心（太阳）到达行星的，其大小和距离的二次方成反比。这些力是怎样“漫过”空间的，却不很清楚，但他认为这是一种数学上的需要。开普勒对这种远距作用的引力的看法，在以后物理学的万有引力、电磁力和核力的理论中，经常采用，已成为范例。

力的概念在经典力学中占有最根本的重要位置，牛顿在1664年就提出了力的定义是动量的时间变率（动量等于质量乘速度）。牛顿第一定律即惯性定律是力的定性的定义，它规定力在什么条件下存在和在什么条件下它的作用不存在的定性的条件。牛顿第二定律给出了力的定量的定义，即力等于动量的时间变率，当质量不变时，力等于质量乘加速度。牛顿第三定律指出，对于每一个力而言，必有一大小相等方向相反的反作用力存在。它指出所有力都是成对的，只有当两个物体在相互作用下才能实现。这两个力分别作用在不同物体上。

牛顿的万有引力理论的惊人成就，是使超距作用的力的概念推广到物理学的其他分支去了。但是，牛顿并不能从物理上说清楚这种超距作用的概念，从而长期受到各方面的严厉批评。19世纪，J.C.麦克斯韦总结了前人对电磁现象的研究，以场的概念为基础，建立了经典电动力学的基本方程，预言了电磁波的存在，促使人们怀疑超距作用力的概念。一直到A.爱因斯坦于1905年提出狭义相对论，指出一切物理作用传播的最大速度是光速以后，人们才认识到超距作用的力的概念有着根本的局限性。爱因斯坦又于1915年在他的广义相对论里明确指出，万有引力的传播速度不可能大于光速以后又提出引力波的概念。

在历史上，有许多科学家和哲学家曾指出，牛顿力学中的力的概念只是一种方法论性质的工具，或是一种形而上学的东西。G.R.基尔霍夫、H.R.赫兹和E.马赫都认为很难说明力的概念的实质，但都肯定力是一种计算用的量，代表质量和加速度的积。当然，自从牛顿以后，力的概念对科学的进展贡献很大，没有力的概念，物理学就立刻失掉了理论的连贯一致性。

牛顿第二定律既可以看作是质量的定义，也可以看作是力的定义。前者把力看作是基本量，而质量看作是第二定律的导出量；后者则反之。

在物理世界中，物体的速率v被限制在一定的区间内：0≤v＜с(с为真空中的光速)，要知道物体在这全区间的运动规律，就必须应用相对论。力的定义依旧可采用力等于动量对时间的变化率，不过质量是随速率而变的，但此时所产生的加速度在一般情况下数值上不和力成正比，方向也并不和力的方向一致。

力的单位制

长度单位可定义为标准量器在两点间的距离，或用特写的光谱线波长来量度。1983年10月第17届国际计量大会正式通过的定义为，米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。时间可以用标准运动的周期，例如，地球公转周期，时钟的摆动周期，或分子的振动周期来衡量。利用这种长度和时间的单位，就能定出速度和加速度的单位和量度。这里，用两种单位制来探讨牛顿第二定律，即绝对制和引力制。

引进标准物体的质量为单位质量，于是，根据牛顿第二定律，使单位质量产生单位加速度的力为单位力，其他质量在原则上可以和标准单位质量相比。通过实验，证明了质量是一个标量，而力和加速度都是矢量，它们服从矢量的合成和分解的运算规律。在绝对制中，非相对论力学的牛顿第二定律可以写成F=ma，式中的F和a 分别是力和加速度，它们都是矢量，上式表示加速度产生在力的方向上；m是该物体的质量，式右的m和a 如果是已知的，则此式即是力的定义。所以，在绝对制中，质量是基本量，力是导出量，它的量纲是MLT-2，其中M是质量，L是长度，T是时间。绝对制中使1克的质量产生1厘米／秒2加速度的力为1达因；使1千克质量产生1米／秒2加速度的力为1牛顿。1牛顿等于105达因。

用标准物体所受的地球引力作为标准力，于是，引力制把力作为基本量，而根据牛顿第二定律，质量是联系力和加速度的比例因子，变成了导出量。在引力制中，标准物体的重量的值作为单位力， 引力加速度为g。任何物体的重量是用标准物体的重量来量度的。设其重量是W，该物体的质量m可以表示为W·g-1。这个导出量m的量纲为FT2L-1。其中F是力的量纲，由于地球表面各地的地球引力加速度并不完全相等，这样，重量在各地也不可能完全相等；为了避免这种困难，就规定地球表面某一特定地点（纬度45°的海平面上）作为测量标准物体的标准重量的场所。引力制和绝对制一样，其绝对程度并不比所谓绝对制的绝对程度差。

参考书目

1. R. Dugas，A History of Mechanics， Routledge & Kegan Paul， London， 1957.
2. M. Jammer， Concepts of Force;A Study of the Foundations of Dynamics， Harvard Univ. Press， Cambridge，Mass.，1957.

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