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惯性力学与整体科学体系 (2)

来源:USCC论文库    [ 2006-09-11 21:38:40 ]    作者:佚名    浏览:0
包含了表述广义惯性、可变为物体内部空间及重力场的本体性场、势、能、熵与质量部分的压强梯度等涵义。
三、惯性力学及其例题
在中学教材中,加速度可直接用一个字母来表示。ρ梯度与加速度一样,也可直接用一个字母来表示,设定其字母为P,其物理单位名称为“坦”。为了遵从现在教科书的习惯,力的物理单位仍用“牛顿”。那么,广义惯性力定律需要乘上量纲系数k,运动定律需要乘上k的倒数。在计算习题时,可设量纲系数为1。物体内外空间的ρ梯度,以下简称内P与外P。惯三律可以改写为以下形式:
①广义惯性定律:物体总保持其内部的ρ均匀空间时的运动状态。
②广义惯性力定律:F=kmP内
③广义惯性运动定律:P外-P内=1/k×a
惯三律的运动定律:其三个矢量在同一条直线上,并且方向相同;如有一矢量方向相反,则变正负符号;如有一矢量不在其直线上,依习题具体情况有时可用矢量分解的角度化为其直线上的矢量。值得注意的是,P矢量的垂直方向,该P矢量为零。特别值得注意的是,由于设量纲系数为1,绝对值a有物理意义的双重性,有时表示P值,有时又表示物体的加速度值。原来牛顿力学中也隐含这双重性,但没有P物理量之前,其物理涵义是混乱、自相矛盾或是错误的。在做习题时,一定要依题意,来决定双重性的哪一方,比如当外P=g时,有时仅表示以单位为坦的重力场的强度值,有时仅表示以单位为加速度的自由落体运动的值,这时的g就不能再乘质量了。当物体内p=g时,表示物体处在相对重力场的静止及平动状态,仍需要以“坦”为单位来计算,表示物体处在非广义惯性运动状态,(准非广义惯性运动状态则是非g值的不自由落体加速运动状态)这时物体必有广义惯性力(重力)与其反作用的真正的外力存在。
由于惯三律取代了牛二律的理论核心地位,当然,其解题思路及解法也具有取代性。惯三律与牛顿力学的解题思路及解法的区别的关键就在于:合外力的解法,在今后仍可继续运用。但在针对某一物体的受力分析过程中,该物体的质量与其内部的ρ梯度值的乘积值仅是该物体的广义惯性力的值,其力的反作用力,才是真正的合外力。牛顿惯性力、惯性离心力、科里奥利力与重力都是真实的该物体的广义惯性力。
例题1:
一辆装满水的车厢以恒加速度a1=10m/s2在水平轨道上运动,一个质量为m=2kg且运动方向(以车厢为参考系)的加速度为a2=8√2m/s2的小球从车厢上部落下(不接触车厢壁),求小球的阻力f及其与垂直线的夹角θ。(示意图略)
解:地面重力场P1=10(坦)。
(1) 水平方向的车厢外P1=0,其内P为P2,依运动定律,P1-P2=a1,即-P2=a1=10(坦)。(2)垂直方向的车厢内P3及车厢加速度a3,依运动定律,P1-P3=a3,因其相对地面平动,a3=0,即P1=P3=10(坦)。(3)车厢合内P42=P22+P32=102+102=200,即P4=10√2(坦);夹角由tgθ=p2:p3=10:10=1,得θ=450。(4)小球外P4,小球内P5,P4方向,依运动定律,P4-P5=a2,即P5=P4-a2=10√2-8√2=2√2(坦)。依广义惯性力定律,F=mP5=2×2√2=4√2,又依互为作用力定律,f=-F,即f=4√2(牛顿)。答:略。注:如把惯三律的一些特殊情况转化为一系列推论,直接用其推论,则解题步骤将很简单。
例题2:
一架质量为m=5000kg的飞机,在竖直环行轨道上以速度v=100m/s飞行,求:(a)环行轨道的可能的最大半径r;(b)在其环行轨道最低点处作用于飞机上的升力f。(示意图略)
解:(a)在可能的最大半径的环行轨道的最高点处,飞机的内P=0,飞机的外P=g=10(坦),依运动定律,P外—P内=a,故P外=a =10(米/秒2),而a=v2/r,故P外=v2/r,r=v2/P外=1002/10=1000(米)。(b)在此轨道最低点处,依运动定律,P外-P内=-v2/r,故P内=P外+v2/r=10+1002/1000=200(坦),依广义惯性力定律,F=m P内 =5000×20=105,又依互为作用力定律,F=-f,得f=105(牛顿)。答:(略)。
注:例题1中的车厢内有一半水的情况下,水面是斜面,其合内P4垂直其水面。而水中有压强梯度,则表象说明了车厢内的ρ空间。但合内P4不直接等于水的压强梯度,虽然其方向相同。这是抽象命题转化为经验命题的问题,其合内P4与其水的压强梯度之间有调整系数。车厢内如果是真空(或有空气阻力略)的情况下,车厢内只有P1,小球相对地面是自由落体运动,没有外力作用之(判别标准之一),小球内P为零。所以,此真空情况下的习题没有求阻力的问题,是纯运动学问题。如果小球有悬线系在车厢顶上,不论车厢内有水还是真空情况下,小球会相对车厢静止,小球质量部分的空间与车厢质量部分的空间是合为一体的空间,要计算此题,需要把重力场P1与车厢水平加速度a1共同“直接”转换为小球两内P,再计算其合内P,再求其广义惯性力及悬线张力。例题1是平动方面的解法,例题2是转动方面的解法。而转动方面的解法,有时也需要换作内P=v2/r,及也可内P=ω2/r、内P=2ωv、再用合内P方法来求解。读者如果有兴趣,也可以合内P的角度用高中数学来推导此环行轨道任意点的广义惯性力的公式。
另外,教材中的机械能部分也应该作相应的调整。势能公式中的g换为内P1,即E=Mp1h。如果不换,其实质涵义是质量为m的物体正在做自由落体运动,其公式仅表示物体变化的动能。惯三律的运动定律对距离的积分后再乘上质量的数学式,正是惯性力学的机械能守恒定律,然而这已是大学物理教材的内容了。由于广义惯性取代了牛顿惯性的理论核心地位,力学体系的结构也须重新调整。由于力概念分为作用方式力与属性力,力学体系的结构也应有这两部分相对独立的内容。属性力学仍然包含惯性力学、弹性力学、电磁力学。实际上有些应用力学,如爆炸力学等,也属于属性力学范畴。以往把引力定律作为牛顿力学的核心命题来运用则是错误的,因为引力定律仅是经验公式。当然,引力定律在惯性力学这里也是经验性质的命题,仅具有特殊例题的地位;
四、引力与重力场
(一)惯三律与引力定律
在惯三律这里,引力定律的运用分两种情况:一种是物体的内P=0,物体的加速度a≠0,其外P=kM0/r2(k为引力常数,M0为重力场的中心物体的质量)的情况,也就是物体在重力场中正处于广义惯性运动状态的情况,其外P=kM0/r2的涵义是表示重力场强度及其强度的分布状态。在以往,外P=kM0/r2这一公式是由引力定律和所谓的引力质量与惯性质量相等的角度得来的;另一种是在物体的加速度a=0,物体的内P≠0,其外P=kM0/r2的情况,也就是物体在重力场中正处于非广义惯性运动状态的情况。由此种情况再利用惯三律就导出了引力定律。由于天体的运动一般都是广义惯性运动,所以引力定律在天文学中的运用,仅适合于第一种情况。然而遗憾的是,以牛顿三定律与引力定律为出发点的天体力学,虽然在实际应用方面,有部分内容已经按第一种情况来计算了,但仍然是引力涵义的理解。还有相当部分的内容是按第二种情况来计算的。按引力涵义理解的第二种情况而得出的一些天文学的结论则是错的,比如:两个天体绕公共质心旋转问题,这是只有在ρ均匀空间的前提下才成立的问题,而在ρ非均匀空间(重力场)的前提下,此问题不成立。有的天体演化假说竟可以说公转的天体能被中心天体的引力吸出个包来,岂不可笑。可以说,以相互作用力的角度而运用引力定律的天文学的许多结论,几乎都要成问题。
当说到平稳地落在金星地表面上的探测器是由于其巨大的大气压而压“扁”的时候(由此理不能压扁),实质是由于金星地表面的ρ梯度值非常大,以至在探测器的质量部分的内部形成了巨大的胁强,从而就象地球的地面上的“面团”变扁的原因一样,而变扁了。这说明了金星表面重力值大大地超过了地球表面重力值。而金星质量小于地球质量,可见引力定律适用的近似性、局限性及经验性,说明了引力的理解也是错的,也说明了重力场的强度不依赖中心物体的“质量”。如果说有无大气层则标志了其星体的表面重力值的差别,为月球直径三分之一的天王星卫星有大气层,如果其表面重力值大于月球表面重力值,那也说明了重力场与中心物体的质量因素无关。牛顿引力定律的中心质量仅具有重力场“势”的初始量的意义,而不完全代表实际的中心天体的质量。从重力场强度分布角度,其平方反比律仅在某一空间范围内成立,在接近重力场中心处及其边缘处,也可能是立方反比律,究竟以什么“律”分布,这由实践探测来决定。目前流行的所谓引力常数随宇宙时间变化的说法是没有意义的。从天体演化角度,随着重力场与整体天体起源演化过程,其重力场强度当然是要变化了,不仅有长期的变化,还有随机的小的变化。但这随机的小的变化,就足以使某些整体天体发生地质的地震或火山喷发等现象的发生。然而这已不是物理学的事了。
(二)重力场有边界的证明
最近哈勃望远镜观测到一颗恒星的外围有一光环,其光环外边缘呈辐射状,其光环内边缘完整,内边缘与中心发光恒星之间区域是黑色空间(此照片许多人都看到了)。这个结构可以说是重力场有边界的证明,边界就在其光环内边缘处,这也说明光环“静止”在空间中。如果这颗恒星的重力场没有边界,那么,光环中的物质必有公转运动,于是,光环的外边缘就不会是辐射状。土星光环的外边缘就没有
辐射状,就是因为它有公转运动,也说明它处在土星的重力场的范围内。
五、整体科学体系
(一)整体自然观的本体论
说自然界是一个统一的整体,好像就是这个整体自然观,然而,这是笼统的认识。更准确的认识应该是:自然界是由不同层次的与同层次的不同的整体所组成的。宇观世界(宇观世界的一部分在以前也被当成了宏观世界)是由某些整体性的卫星、行星、行星系、恒星、恒星系、宇宙中的各种星系所组成;宏观生命世界由DNA、细胞、生命个体与群体、人类社会所组成;微观世界由分子 、原子、某些整体性的基本粒子所组成。
由于这三个世界的整体不同,其属性也有所不同,所以,这三个世界的分界线应该是:微观在分子空间尺度之内;宏观在分子空间与近似月球的空间尺度之间;宇观在近似月球空间尺度以上。
这些整体有其内部的有序结构,性质与功能,有其起源与演化过程。这三个世界有其演化的同步性。当然,自然界中还有各种非整体,但也一定属于某个整体,是其组成要素及局部。只有自然界的整体,才有起源与演化问题。而非整体则没有起源与演化问题。
(二)整体科学体系与物理科学体系
整体自然观为科学提供了一个新的科学体系(整体科学体系)框架与背景。整体科学体系是研究自然整体的整体性质与功能、有序内部结构及其起源与演化过程的科学理论系统。由经典物理学发展到今天的现代物理学,物理学已成为无所不包的科学,简直成了自然科学的代名词。这意味着什么?意味着把物理学的原则、观念、概念、思维方式与思维方法也带到了整个自然科学,也带到了自然界,从而,忽视了与抹杀了对整体性方面的认识。这两种科学体系在观念上、思维方式及思维方法等方面都截然不同。
(1) 本体论问题
在物理学的物体观中,物体没有内部有序结构、有可分割性及没有起源演化性;在整体自然观中,自然整体物体有内部有序结构、有整体属性的不可分割性及有起源演化性。物理学是非整体观下的科学。物理学本身没有错,错误就在于把整体的客体也看成了非整体,还把分子与原子当作力学的粒子,天体还被认为是物理学中的一般物体。在此,还有必要澄清一个认识问题:非整体与整体是矛盾关系,但还有一般性与特殊性的关系。自然整体仍然有物理学的一般性,只不过多了一个整体性。比如:凡是具有质量的物体(不管是整体与非整体)都有惯性;而重力场仅是整体天体所具有的;当我们说起源演化性的时候,也仅是自然整体所具有的。另外,还要澄清一个认识问题:抛开“本体”,单独说属性与关系也有起源演化问题,是不妥的,属性与关系必有其自然物为其载体。某物有起源演化过程,其整体的属性与关系也自然随之出现。某物没有起源演化问题,其属性与关系也自然没有之。说惯性与引力也有起源问题,其错误之一,惯性与引力是属性与关系,没有与其载体一起说明,其错误之二,惯性与引力的载体是一般性的物体,没有起源问题,当然惯性与引力也就没有起源问题。况且,引力本来就是人为虚构的东西……。
(2)方法论问题
物理学是对自然界的单一因素的研究,而整体科学注意的是(前提是整体)多因素之间关系的研究。说“物理学是对自然界分析的科学”的说法不太准确。当把物理学体系的知识运用到自然客体上时,而产生的相应的所谓交叉学科本身,如地质力学、电生物学、地磁学、太阳系物理学等等学科,才是对自然“整体”的分析(非整体要素)的认识。相对未来的整体科学理论来说,这种交叉学科的内容一般仅具有感性认识(现象层次)的性质。整体科学研究具有复杂性原则,是一因多果、一果多因、互为因果、多因多果的因果论。而物理学研究则具有简单性原则,探求一个终极原因的因果论。而当涉及到许多要素之间的复杂关系的认识时,则需要整体哲学。当地球物理学家对地球的各种因素之间的关系的东一下西一下的无章法的论述而痛苦不堪时,最有体验需要一种不同于物理学思维方法的哲学。
(3)认识论问题
说物理学的性质是实验科学,应该是指它的认识手段主要是靠实验。实验是通过人为改变自然客体的方式认识世界的。这种“人为”认识而带来的思维方式与“自然性”是对立的,在认识自然整体方面容易造成认识误区:其一,容易把人的因素外化为客观因素,形成了外因思维方式,比如对地球及生物的演化过程中的一些历史事件,就容易用“偶然”的灾变说的思维方式来对待。当然,在某些事件上,其偶然外因也是更高层次的整体的必然内因;其二,容易把人为改变后的自然整体简单还原,比如用打破原子核的方式认识其要素时,而又必须回复未打破原子核之前的原子核结构的认识,那么,未打破原子核之前的原子核结构能否一定就是质子与中子的简单组合么?也许自然状态的原子核原本不是质子与中子的分立状态的组合结构
(4)学科分类问题
与整体自然观对应的学科体系则是整体科学体系。其具体学科的分类标准就是以各种整体为分类原则,如:地球学、行星学、星系学、原子学、细胞学等等。作为现代物理学的量子力学,仍属于物理学范畴,因为量子力学是对微观整体的分立状态(量子状态)的宏观表现的描述。至于广义相对论,在我的前文与此文中已提及,在此不再重复。
六、引力理论的分化及需要解决的问题
广义惯性使独立的引力理论分化为两个相对独立的科学体系之内的问题了。一方面是惯性力学仍属于原来的物理学体系,也包含对重力场的描述;另一方面,整体天体及其产生重力场的内容,则属于正在孕育的且将充满无穷活力的整体科学体系的内容了。虽然重力场产生于整体天体的未知的物理机制,但不影响广义惯性及其与重力场的关系是一个独立的问题,而且是已经解决了的问题。
探索重力场的产生机制的问题。则是实践方面的任务。但首先希望有关科学机构尽快着手进行小行星或火星卫星的表面重力值的探测活动,这是极其重要的。如果证

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