一个磁铁吸在冰箱侧面可以几十年不掉,虽然不做功,那克服重力的能量从何而来?

物原爱牛毛1


一个磁铁吸在冰箱侧面可以几十年不掉,虽然不做功,那克服重力的能量从何而来?

当磁铁吸附在冰箱侧面时,它是处于一个静止的状态。根据牛顿第一运动定律,一个处于静止状态的物体,其受到的合外力是为零的。

经过简单的分析后,我们就可以得出,在这种状态下,磁铁受到了4个力,分别为磁铁与冰箱侧面之间互相吸引的电磁力(这是两个力)、地球的重力以及磁铁与冰箱侧面之间的摩擦力,这4种力两两相对,互相平衡,从而使磁铁处于一个静止的状态。

因此我们可以得出一个结论,“一个磁铁吸在冰箱侧面可以几十年不掉”这种现象,只是一种力的平衡现象,其中并没有能量的消耗,当然也就不存在“克服重力的能量从何而来?”这个问题了。

那么磁铁的电磁力又是哪来的呢?

原子是由原子核和电子组成,其中原子核带正电荷,电子带负电荷。在原子的内部,电子不停地围绕着原子核运动,同时也在不停地自旋,因为运动的电荷会形成电流,同时也会产生磁场,所以电子的这种运动就会产生磁场。

在大多数物质中,由于电子的运动杂乱无章,这种由电子产生的磁效应就会相互抵消,从而在宏观上不表现出磁性。但在铁磁性物质的电子之间,存在着一种极强的相互作用——“交换耦合”,这使得它们产生的磁场能自发地在一个个很小的区域内统一起来,我们将这一个个很小的区域称之为“磁畴”。

从上图可以看到,对于一块铁磁性物质来讲,它是拥有很多磁畴的,一般情况下,这些磁畴是不会沿同一方向来排列,因此它们也不会在整体上表现出磁性。然而如果我们将一块铁磁性物质放入一个足够强大的磁场中,那么这些磁畴就会在外力的作用下被“拉”到同一个方向,在这种情况下,这块铁磁性物质就被磁化了,变成了我们常见的磁铁。

需要指出的是,由于铁磁性物质的电子之间存在着极强的“交换耦合”,因此铁磁性物质在磁化以后,即使外部的磁场被撤去,其内部磁畴依然会保持一致,从而在宏观上表现出磁性。根据量子理论,在磁铁(永磁体)内部的磁畴是能量最小化后的结果,这就意味着,只要没有外力干预,那么磁铁就一直拥有磁性,这就是磁铁的力量来源。


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魅力科学君


回答摩擦力的都是蠢材!!!把磁铁吸在铁板的下面,还有摩擦力吗?

回答不做功不消耗能量让题主回去学中学物理的也都是蠢材,怎么可能不消耗能量!重力往下,磁铁不掉下来要达到平衡,必然有某样东西要抵抗重力,否者磁铁往下掉就会产生势能。为什么磁体不掉下来,铁就会掉下来,两者难道没区别?不动不做功不等于不消耗能量。两队人拔河,势均力敌僵持不动,难道不消耗能量?

题主的问题其实很好。上面说了很多废话替题主喊个冤,其实是凑点字数,哈哈哈~~莫怪

平常我们说的磁铁吸引力,其实不是力,是"场",磁场具有能量。磁铁抵抗重力不掉下来,利用的是磁场势能,这就是能量来源。磁铁具有磁场势能,铁或者其它东西没有这个势能,也就是磁铁和铁的区别。当磁铁失去磁场势能(消磁),也就失去对抗重力掉下来的能量来源了。

要是回答的不好,那我也是蠢材,悉听教诲。

我考虑的是铁板下面吸块磁铁。

楼主看评论后补充说明,也不怕丢脸:

大家都认为静摩擦力。那这个摩擦力的力哪来的,磁体吸力。磁铁吸力哪来的,磁铁有磁场,磁场有磁场势能。磁铁吸力是不是磁场势能产生的?那静摩擦力和磁场势能无关吗?

有说磁体吸力,有说静摩擦力。我用磁场势能更多的解释了你们说的力的来源,这难道错了?

否定静摩擦力,现在想想我应该也是错的。磁场势能和静摩擦力是联系的。静摩擦力离不开磁铁吸力。磁铁吸力来源是因为磁铁有磁场,磁场有磁场势能,应该是这么来的。

静摩擦力是磁场势能的最终表现形式,磁场势能是静摩擦力的源头。

用静摩擦力否定磁场势能是错的,用磁场势能否定静摩擦力也是错的。

两者原本一体

再补充说明,我考虑的是磁铁吸在铁板下面。而大家考虑的是原题主的吸在冰箱侧面。


血染盔甲


来说点靠谱的答案。

磁铁吸在冰箱上,磁铁没动,从冰箱和磁铁的整体系统看,没有能量损失。

从磁铁本身看,磁铁受到至少四个力:重力,静摩察力,冰箱对磁铁的吸力(磁力),冰箱对磁铁的支持力。

重力和静摩察力平衡,吸力和支持力平衡。

吸力和静摩檫力都是要消耗能量的。

首先看静摩檫力,产生的原因大致是磁铁表面和冰箱表面的原子电子等的运动产生的,原子的混沌运动从宏观看是统计平均的,也就是说两个物体有相对运动趋势的话,原子的混沌运动会阻止这种趋势,阻止这种趋势的能量来源于原子内力的统计平均。因此原理上看,原子的内能会减小。只是原子内能相对于减小来看几乎是无穷大,所以这个减小就看不出来,现在的技术估计也测不出来。

估计宇宙毁灭了(几百亿年的量级),这个内能减小也未必达到可以测量的地步。

吸力来自电磁力,也是类似的。由于电磁力比重力大很多数量级,所以在宏观层面,一块小小的磁铁就能表现出和地球这个庞然大物产生的重力相抗衡的力。而吸力(磁力)的持续,如果不产生磁场中物体的运动,目前来看不消耗能量。只是这个过程可能会通过压力(磁铁对冰箱)和支持力(冰箱对磁铁)转化成原子运动,有可能还是会消耗能量,或者可能会在统计上平均,变成总体不消耗能量。

但不管怎么说,即使消耗能量,也是不可测量的。


神采奕奕迤逦而行


太多人乱回答这个问题,根本不懂基础的物理知识。要回答这个问题首先要了解,做功的概念,做功是能量由一种形式转化为另一种的形式的过程。做功的两个必要因素:作用在物体上的力和物体在力的方向上通过的距离。经典力学的定义:当一个力作用在物体上,并使物体在力的方向上通过了一段距离,力学中就说这个力对物体做了功。显然,磁铁在冰箱上有作用力,但是没有在力的方向上产生距离。因此不做功,也就不消耗能量,磁铁吸附在冰箱上是不耗能的。

再回答为什么磁铁不会掉下来。首看一下牛顿力学的三大定律。

牛顿第一定律:一切物体在没有受到力或合力为零的作用时,总保持静止状态或匀速直线运动状态。

牛顿第二定律:物体在受到合外力的作用会产生加速度,加速度的方向和合外力的方向相同,加速度的大小与合外力的大小成正比,与物体的惯性质量成反比。

牛顿第三定律:两个物体之间的作用力和反作用力,在同一条直线上,大小相等,方向相反。

根据牛顿第一定律,磁铁静止不动,所以外力的合力为零。上图中,以磁铁为参照物,进行力学分析,水平方向,竖直方向合力都为零。

F1为冰箱对磁铁吸引力。(牛顿第三定律)

F2为冰箱对磁铁的支撑力;(牛顿第三定律)

F3为磁铁自身的重力;

F4为冰箱对磁铁的静摩擦力(静摩擦力是两个相互接触的物体,当其接触表面之间有相对滑动的趋势,但尚保持相对静止时,彼此作用着阻碍相对滑动的阻力,这种阻力称为静滑动摩擦力,简称静摩擦力)

由于F1=F2,F3=F4,因此磁铁静止不动。因此只要磁铁的磁性稳定,就不会掉下来,这个过程中不做功,不消耗能量。\r



杰森JSDS


一个力对物体做功,不仅需要有力还需要在力的方向上发生一段位移。把一个箱子放在桌面上保持静止,桌面对箱子会有支持力的作用,在支持力的方向上没有位移,所以桌子对箱子不做功。箱子能够在桌子上安安稳稳的静止很长时间,桌子也不会感到累。把一块磁铁吸在冰箱壁上,很长时间也不会掉下来,此时也没有力对这块磁铁做功。

手里提着一个箱子保持不动,此时手对箱子施加了向上的拉力,却没有发生向上的位移,这样的话人就不会对箱子做功,可是过一会人就会累得胳膊撑不住。为什么把箱子放在桌子上桌子不累?为什么把衣服挂在衣架上衣架不会累也不会消耗能量呢?

把物体放在桌子上或者挂在架子上,物体受力平衡而处在静止状态,此时不会消耗能量,桌子和衣架不会感到累。

人提着箱子站着不动,那是自我感觉没动,只要人的肌肉在绷紧用力,肌肉的收缩就会有一定的频率。想一想端起一盆水的情景,刚开始可以端的比较平稳,端上几分钟后胳膊就开始发抖。肌肉长时间负荷会发生肌肉痉挛(抽筋)现象,发生肌肉痉挛时会明显的感觉到肌肉的收缩具有一定的频率。

肌肉有频率的收缩会使提着的箱子有频率的上下晃动,箱子向上晃动的过程需要克服重力做功,箱子向下运动的时候需要阻碍它动能的增大。这些过程都需要消耗能量,这些能量自然就需要由人来提供,所以人提着箱子不动,或者人站着不动都会感到累。


刁博


因为磁力大于引力

这个问题牵涉到宇宙四种力中的两种,电磁力和引力。

我们知道在宇宙中存在着四种力:强核力,弱核力,电磁力和引力。其中引力是最弱的,电磁力要比引力大的多。举个例子:我们用梳子梳过头发后,梳子上就有了电磁力,这个力可以把掉在地上的小纸片吸起来,说明重量达60万亿亿吨的地球对纸片的引力,还没有梳子上的电磁力大。

所以磁铁会克服重力牢牢地吸附在冰箱上。


冬哥谱科


克服重力不需要能量,只需要力!

图示:冰箱贴美化生活,冰箱贴不会掉,是依赖磁力和摩擦力,只要这两者之和能对抗重力就不会掉落,物理世界中力和力对抗并不耗能。


先抛开磁铁,让我们想想一个木块放在有摩擦力的斜面上,它也可能静止地呆在斜面上几十年不下滑,那么帮助它克服重力需要消耗任何能量吗?不需要,只需要摩擦力=重力的分量,那么就能保持静止不动。


如果还是不能理解,那么想想考驾照时的坡道起步,当汽车拉下手刹停止在斜坡上时,汽车同样受到地球引力影响,这你只要松开刹车就能明白。那么当汽车静止在坡道上时,它克服地球引力需要消耗能量吗?当然不需要。否则停在坡道上的车,就会自动耗油了。

图示:坡道起步,驾照重点考察内容。


最后再说一个例子,悬在半空不动的电梯,只要它不动,它就不需要耗能,只需要提供足够大的摩擦力即可。

图示:电梯井,悬挂电梯的钢索。如果钢索承受不住,电梯的重量就会发生断裂。但是不仅克服重力,还要向上运动,那么你就需要耗能了。


为什么我们总是将力和能量这两个概念混在一起呢?

因为,假如这力由人来主动提供,那大多数情况下,我们的身体的确是需要消耗能量,才能提供力。比如用手指将木块用力压在光滑的墙上,是很累人的活,又或者将自己悬挂在单杠上。

图示:仅仅只是吊着就很累,因为我们的肌肉会因重力的影响收缩来对抗重力将它撕裂的倾向!不管这收缩多微弱,都意味着做功耗能。


但特别喜欢倒挂的蝙蝠,就很少动用肌肉的能量,这是它的休息姿势不是它在锻炼身体,而这是通过肌腱锁定机制来实现的,用肌腱这个强大的抗拉材料,来对抗地球的重力。


与此类似,许多鸟儿站在树枝和电线上,也同样具有肌腱锁定机制,这能让它们不需要或者少消耗能量,就能保证自己不掉下去,一点都不累。

图示:电线上的鸟儿,世界各国常见风景


当鸟儿抓住电线时,它的脚关节肌腱就自动锁定了。只要肌腱的构成能支撑住身体的重量,它就不需要消耗能量来维持身体平衡或至少只需要消耗很少能量,也不用担心自己会掉下去,当它要飞走的时候,它才需要动用肌肉解锁关节,放开脚爪自由飞翔。

图示:当利用肌腱锁定脚爪后,就不需要肌肉收缩提供能量了,依靠肌腱的本身的物理性质提供力量,这是不需要耗能的,但这依赖的是特殊的肌腱和关节形状,以及它们的物理性质。


希望我已经将这个问题分析透彻足以解惑了


裸猿的故事


问出这种问题……真的为我们的基础科学教育担忧!这本就是对基础力学的知识点没掌握没理解造成的。

然后很多回答(先不说里面的内容是否准确)都没有回答到点子上,没有针对题主的疑问作出解答,这是审题都没有过关,读书时做阅读理解到底有没有拿过分的?

下面针对题主疑问解答:力和能量是两码事。

提问的这个例子里,磁贴吸住冰箱表面的铁没掉下来,这种是状态,不是过程,在这个参照系里的所有东西都是静止的,没有物体移动,物体里的能量没有发生输出/输入,没有能量发生转移,没有做功,谈何“这个能量从何而来”?这个例子里根本没有能量半毛钱事!只是跟力有关系。

提问的例子里,换成“一个重物放在桌子上,被桌子支撑着没有掉到地上”也是一样的,是等价的。

是强力和弱力保持着桌子的微观结构没有改变,没有破裂或形变,在宏观上可把这视为桌子的支持力,只要重物受到的引力不大于桌子的支持力(由桌子微观结构里所有强力和弱力组成),两个力保持平衡,所以重物继续保持着原有的位置和状态——静止,没掉到地上。

题主的例子,是磁贴有电磁力吸着冰箱表面,两者之间的摩擦力与磁贴受到的引力平衡,所以磁贴保持着原有的位置和状态——静止,没掉到地上。

什么时候才涉及能量?

有位移(有做功)、有形变、有热传递、有辐射放出。即有状态改变的才涉及能量的输出/输入(能量转移)。没状态改变的只是物质之间的力保持平衡而已。

所以题主疑惑的本质其实是“这个力是怎么来的,怎么有的,为啥它能一直有并且保持不变?”

四大基本力(强力、弱力、电磁力、引力)是物质本身就自有的性质。目前我们知道物质有这样的性质,也认识它们,了解它们的脾气,并能准确地计算它们。但它们为啥有、为啥一直就在,这个问题无解,只能说宇宙产生时所有的规律就已经被设定好了,而物理学就是把所有的就些规律给找出来,并让我们人类能去利用这些规律的学科。


知道得太多鸟


力与能量搞混了,人用力会消耗能量,是因为人类为了发出这个力,不断的施加电信号给肌肉组织,导致肌肉组织收缩产生了力,是一个连续的生物化学能量的释放产生的力。为了维持这个力不断消耗生物能量。

磁铁的磁力理论上是不消耗能量的,产生磁力并相吸引的两个物体之间存在势能,当两者接触后不再相互运动,势能就不再释放。能量就不会消耗。在磁力的作用下,磁铁与冰箱表面产生的摩擦力与磁铁的重力产生平衡,磁铁与冰箱相对静止,不再消耗磁力势能和重力势能。但是磁铁的磁力也会衰减,如果冰箱不生锈,它也会掉下来的,只是时间漫长,超过了您可以等待极限。


JackLin160150263


其实题主说的一个主要的问题是,磁铁可以牢牢吸附在冰箱上,这个时候要消耗能量,除此还要克服地球的重力,也要消耗能量,可是几十年磁铁没有掉下来,消耗的能量是哪里来的。问题的关键是磁铁,只要还是磁铁,磁铁对铁器的吸附力就不会变,也就不会从冰箱上掉下来,这样,问题就集中在磁铁上了。记得在高中物理课上,老师做了一个磁力产生的实验,用一根有绝缘层的铜线绕制了一个线圈,没通电以前,这个线圈没有任何磁性,当通上直流电时,这个线圈便有了磁场,用这个线圈的磁场还吸起了一根铁钉。也就是说,直流电通过线圈可以产生磁场,有了这个磁场就对铁产生了吸引力。且不谈为何会对铁产生吸引力,但说磁铁吧,没有线圈怎么会有磁场。这个问题高中的学生都学过,咱们再简单复习一下,线圈通入直流电产生的磁场可以吸铁,通入交流电因为是一个交流的磁场,就不会产生静态的吸力,这个我们暂且不论。根据直流电在线圈产生的磁场,我们可以看做是电荷的定向移动产生的磁场。联系到磁铁上,我们可以认定,在磁铁的物质里,所有电子绕原子核的运动均朝着一个方向运动,所以才产生了磁场,只要电子的定向运动不停止,磁场的磁力就会使磁铁永久吸附在冰箱上。而能量的来源正是电子的定向运动。说到这里,应该明白了吧。


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