牛顿运动三大定律讲解 牛顿力学都说了些啥

昨天的篇章中详述了什么是运动，也对 亚里士多德 和 伽利略 对于运动的不同看法作了详细展开。

伽利略将自然哲学的定性研究转变为科学的定量分析与计算，他开创了现代意义上的科学，也指明了科学研究的基本方法。

罗马不是一天建成的，同样，物理大厦也不是一天建成的。

在亚里士多德 和 伽利略的基础之上，牛顿建立了一整套描述物体运动的理论，这就是大名鼎鼎的牛顿力学。

在昨天的文章中有详细展开伽利略对于运动的理解，当我们理解了伽利略的发现，就会觉得牛顿三大运动定律非常自然。

有些朋友可能没有看过昨天的文章，那这里就用一句话来概括伽利略对于运动的理解：一个物体是否运动，跟它有没有受力没有直接关系，运动不需要外力来维持。

上面这句话非常重要，理解了这句话，再结合牛顿力学的三大运动定律，我们会惊奇地发现，物体那看似随意不规则的运动，竟真的可以被描述与计算。

现在，我们来看看这三大定律到底都说了些什么。

当然，不要一看到定律、定理之类的就头疼，定律比定理好玩些，看完之后你会觉得牛顿三定律也是很有趣的。

首先来看看牛顿第一定律。

牛顿第一定律也叫惯性定律，它解释了伽利略的：“运动并不需要力来维持”。

就是说如果物体受到的合外力为0，那它之前是什么速度，后面就依然是什么速度。

举个例子：在科幻片的场景中，经常会出现一个我们所熟悉的画面；

当一个宇航员连接飞船的绳子断了之后，这个宇航员就会以这个速度飘向太空深处，在没有碰到外力之前，他永远都不会停止（电影 火星救援 中就有这个场景）。

这也是牛顿第一定律叫惯性定律的原因，惯性也有懒惰的意思，也就是说所有的物体都很 懒，它们不会去主动去改变自己的运动状态。

现在我们总结一下牛顿第一定律：物体在不受力，或者受到的合外力为0时，它将保持静止或者匀速直线运动（即速度的大小和方向都不变）。

通过上面宇航中的例子解释了伽利略的：“运动并不需要力来维持”这个结论。

那么，力的作用又是什么呢？

伽利略在后半句里说了：力是改变物体运动状态的原因。

也就是说，虽然运动本身并不需要力来维持，但是，如果你想改变运动状态，比如宇航员不想飘向太空深处，想回到飞船，这就需要一个外力来拉一把。

可当我们知道力可以改变物体的运动状态之后，又出现了新的问题，改变物体的速度和状态需要多少的力呢？

想要对力进行定量计算，我们就需要用到 牛顿第二定律。

虽然牛顿第二定律需要用到公式，但你放心，这很简单，一点都不复杂，保证通俗易懂。

那力是怎么算的呢？

首先，既然力可以改变物体的速度，那就找一个物理量来描述物体速度的变化。

打个比方：汽车现在的速度是6m/s，1秒后变成了10m/s，那它的速度就在1秒钟之内变化了10-6=4m/s。

可汽车的速度为什么会发生变化呢？

当然是发动机的牵引力让汽车的速度发生了改变，如果换成马车，那就是马的拉力让车的速度改变了。

问题来了，既然物体速度发生了改变，那肯定是有什么力作用在它身上。

那么，力的大小跟速度的变化有什么关系呢？

是力越大，速度的变化就越大么？

还有没有其它因素影响到速度的变化？

回到上面的例子，但为了方便理解，可以把汽车换成马车。

如果我们用两匹马拉车，1秒内可以让马车加速3m/s，可如果有四匹马，或许1秒内就能让马车加速5m/s。

但是，就算只有一匹马，如果时间充足，比如30秒，那马车完全有可能增加更多的速度。

所以，光比速度的变化量是不公平的。

我们需要限定时间：在一定的时间内（比如1秒钟）让物体的速度变化越大（也就是速度变化得越快），才能说明受到的力越大。

根据上面的情形可以得出以下结论：合外力越大，物体的速度变化得越快。而单位时间内物体速度的变化量，正是加速度的定义。

也就是说，我们用加速度这个物理量来描述物体速度变化快慢的程度。

简单来说就是：如果物体的速度不变，那它的加速度等于0；如果物体的速度在1秒内从2m/s增加到了4m/s，那它的加速度就是2m/s²；如果物体的速度在2秒内从1m/s增加到了7m/s，那么它的加速度就应该是（7-1）/2=3m/s²。

这样是不是清晰多了，我们再来重复一遍上面的结论：物体受到的合外力越大，它的速度变化得越快，加速度越大。

弄清楚了合外力对速度的影响，我们再想一想还有什么因素会影响到速度。

相信聪明的你已经想出来了。

打个比方：春天快到了，又到了一年一度春游的日子，在这个阳光明媚的早上，你骑着自行车带着心仪的小姐姐去吹风。

那么，后座上的小姐姐能影响到你骑车速度的因素是什么？

这很容易猜出来，90斤和190斤绝对会影响到你的速度。

现在是不是很清晰了：物体的加速度不仅跟合外力有关，还跟质量有关，质量越大，同等拉力下获得的加速度越小，反之越大。

好了，铺垫了这么多，牛顿第二定律也该闪亮登场了。

牛顿第二定律：物体的加速度a跟物体受到的合外力F成正比，跟物体的质量m成反比，写成公式就是F=ma。

这是牛顿力学里最重要的一个公式，我们上学都是在学习F=ma在各种情况下的应用。

牛顿第二定律也让我们从一个全新的视角来审视 质量 这个概念。

质量成为了一个衡量物体运动状态改变难易程度的物理量，质量越大，越胖，越不想动，改变它的状态所需要的合外力也就越大。

从这个角度，我们再来感受一下牛顿第二定律F=ma：外力（F）想改变物体的运动状态（a），但质量（m）越大，越难被外力（F）所改变。

上面用了大篇幅来解释牛顿第二定律，实在是因为这条定律太过于重要，不过相信你也已经看懂了。

别慌，不要因为第二定律就不敢往下看第三定律，第三定律是这三条定律中最简单的一条。

为了防止朋友们打瞌睡，我争取在100个字之内解释清楚：

你现在用力推一下你身边的墙，是不是感觉到墙也用力推了你一下，是不是又感觉到这两个力大小相等，方向相反。

恭喜你，恭喜你喜提 牛顿第三定律。

我们来看一下牛顿第三定律的官方表述：相互作用的两个物体作用力和反作用力大小相等，方向相反。

是不是非常简单，我们再来看一下牛顿的原话：“每一个作用都有一个相等的反作用”。牛爷的话里是不是没有提到“力”这个词。

但因为我们在讨论牛顿力学，所以教材里就直接用作用力和反作用力来表述，方便理解，当然，这一段是题外话。

现在我们理解了牛顿的三大运动定律，也就理解了牛顿力学的根基，然后就可以根据牛顿力学去分析万物的运动情况。

后面也会就物体如何运动、万有引力等 做一个展开（万有引力也离不开牛顿力学）。

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