物理史话之惯性力不是力达朗贝尔

在我们之前的数学史话中就曾经介绍过达朗贝尔的生平和他在数学上的贡献,所以在这里就略去不谈了。在本文中,我们就达朗贝尔的物理学上的成就介绍一二,以飨读者。

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达朗贝尔

1741年,达朗贝尔被聘为法国科学院的院士,当时他年仅24岁。两年后,达朗贝尔发表了他一生中最重要的科学著作--《论动力学》或者也叫《动力学论》。在该书中,他提出了三大运动定律,第一运动定律是给出几何证明的惯性定律;第二定律是力的分析的平行四边形法则的数学证明;第三定律是用动量守恒来表示的平衡定律。书中还提出了达朗贝尔原理,它与牛顿第二定律相似,但它的发展在于可以把动力学问题转化为静力学问题处理,还可以用平面静力的方法分析刚体的平面运动,这一原理使一些力学问题的分析简单化,而且为分析力学的创立打下了基础。1744年,达朗贝尔又发表了一篇"论流体"的论文,涉及到了流体的运动。

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理论力学教材

在《动力学论》的序言里,达朗贝尔对17到18世纪运动量度(即动量mv和活力mv2) 的争论进行了"判决"。达朗贝尔认为,"运动物体的力"只能用物体克服阻碍的能力来表示。在其阻抗足以使运动在一瞬间停止下来而处于平衡的情况下,动量可以用来作为"运动物体的力"的量度;而在阻碍逐渐使运动停止的减速运动情况下,活力可以作为"运动物体的力"的量度。他指出这两种量度都是有效的,"如果力的量度在平衡状态中和在减速运动中有所不同,这又有什么不方便呢?"达朗贝尔还模糊地谈到了动量的变化与力的作用时间有关,活力的变化则与物体运动距离有关。实际上, 达朗贝尔也没有找到两种运动量度的本质区别。只是到了19世纪能量概念和能量转换与守恒定律被确立之后,恩格斯运用唯物辩证法的观点,通过对运动形态变化的深入分析,才揭示了两种量度的本质区别。

在《动力学论》里,达朗贝尔把整个力学归结为惯性力、合成运动以及平衡这3个原理,并对这3个原理分别进行了证明。书中还给出了用于解决质点系动力学问题的一般原理,现称之为达朗贝尔原理。这一原理的引入可以使一些力学问题的分析简单化,为分析力学的创立打下了基础。1788年,拉格朗日在其所著《分析力学》中巧妙地改写了这个原理,得到了拉格朗日动力学普遍方程式,即

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这样就把质点系的动力学问题转化为了静力学问题。

下面,科普君就以自己的一点微薄的物理学知识,来聊聊这个以达朗贝尔名字命名的原理--达朗贝尔原理。

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达朗贝尔原理公式

达朗贝尔原理阐明,对于任意物理系统,所有惯性力或施加的外力,经过符合约束条件的虚位移,所作的虚功的总和等于零。受约束的非自由质点受有主动力F及约束力FN,如果再加上虚构的惯性力FI=-ma,则下式成立:F+FN+FI=0 (1)即在质点运动的任一时刻,主动力、约束力与惯性力构成平衡力系。上式为质点的达朗贝尔原理。对质点系,如果在每个质点上都加上虚构的惯性力FIi=-miai,则质系中每个质点均处于平衡,即:Fi+FNi+FIi=0(i=1,2,…,n) (2)

达朗贝尔原理是研究有约束的质点系动力学问题的原理。对于质点系内任一个质点,此原理的表达式为:F+FN+(-ma)=0。从形式上看,上式与从牛顿运动方程F+FN=ma中把ma移项所得结果相同。于是把-ma看作惯性力而把达朗贝尔原理表述为:在质点受力运动的任何时刻,作用于质点的主动力、约束力和惯性力互相平衡。

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从数学上看,达朗贝尔原理只是牛顿第二运动定律的移项,但原理中却含有深刻的意义。这就是通过加惯性力的办法将动力学问题转化为静力学问题。亦即所有动力学中的定理通过引入惯性力的概念转化成静力学中的平衡关系,而且求解过程中可充分使用静力学的各种解题技巧。一些动力学现象亦可从静力学的观点作出简洁的解释。这就形成了求解动力学的静力学方法,简称动静法。这种方法在工程技术中获得了广泛的应用。此外,在分析力学中,将被称为静力学普遍方程的虚功原理与达朗贝尔原理相结合,就得到动力学普遍方程,它是处理非自由质点系的最基本方程,是分析动力学的基础。把-miai看成惯性力并把式(1)看成平衡(实际不平衡)的观点所引入的动静法和机械学中的动平衡,对力学的发展则发生积极的影响。事实上,在跟着质点运动的非惯性坐标系的观察者认为,惯性力是存在的,而且可以测量。例如在垂直方向加速上升的火箭中的宇航员,他对座位压力大于重力。爱因斯坦创立的广义相对论认为惯性力完全与万有引力等价;爱因斯坦用升降机说明两者是不能区分的。因此,从广义相对论的角度看,惯性力是真实的力。(以上部分复制来的,科普君也是云里雾里)

1772年,达朗贝尔当上了法国科学院的院长,一直到去世。达朗贝尔在奖掖后进上做得特别好,无论是拉格朗日还是拉普拉斯,甚至柯西都曾经受到了达朗贝尔的提携。1783年,达朗贝尔在巴黎去世,他被安静地埋葬在巴黎市郊的墓地里。


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