從淨力到加速度
第一定律告訴我們,非零的淨力會改變物體的運動。牛頓第二運動定律則精確告訴我們改變多少:淨力等於質量乘上加速度。推力加倍,加速度就加倍;質量加倍,在相同推力下,加速度就減半。
牛頓第二運動定律:物體所受的淨力等於其質量乘上加速度;加速度的方向沿著淨力的方向。
把這條方程式讀成一則關於箭頭的陳述:加速度與淨力同方向,其大小與力成正比、與質量成反比。淨力為零則加速度為零——我們又回到了第一定律,它只是 \vec{a}=0 的特例。
牛頓,以及把單位處理正確
力需要一個單位,而第二定律定義了它。一牛頓(N)恰好是能使一公斤質量產生每秒平方一公尺加速度的淨力。它不是基本單位,而是公斤、公尺與秒的組合。
以 SI 基本單位表示的牛頓。
它是向量定律:一次處理一個軸
由於 \vec{F}_{\text{net}} = m\vec{a} 是一條向量方程式,它其實同時是兩條(或三條)方程式——每個方向各一條。實務上你選定方便的座標軸,然後要求沿每個軸的淨力,等於質量乘上沿同一軸的加速度。
把第二定律沿互相垂直的座標軸分解成獨立的分量方程式。
這正是動力學的整套策略:把一團糾纏的箭頭化為兩條乾淨的純量方程式。舉例來說,一顆拋體有 a_x = 0、a_y = -g;在水平地面滑動的方塊 a_y = 0,所有戲碼都發生在 x 方程式裡。選對座標軸,能把難題變成易題。
重量與質量之別——別搞混了
質量是一個物體含有多少物質——含有多少慣性——以公斤為單位,在地球、月球或外太空都相同。重量則是另一回事:它是作用在該質量上的重力,以牛頓為單位,其實就是把第二定律套用在自由落體上。
重量等於質量乘上當地的重力加速度 g(在地表附近約 9.8 m/s²)。
解題演練:推一個木箱
一個 20 公斤的木箱放在光滑(無摩擦)的地板上。你以穩定的 60 牛頓水平推它。它的加速度是多少?步驟一——把木箱孤立出來,找出水平方向的力:只有 60 牛頓的推力(重力與地板的支撐力在鉛直方向互相抵消)。步驟二——沿運動方向套用第二定律。
木箱沿推力方向以 3 m/s² 加速。
這就是整套方法的縮影:把物體單獨畫出、把作用其上的力相加、再用淨力除以質量。不過在真實世界裡,地板從不完全光滑——摩擦力會向後推、削減這個加速度。要誠實地處理它,我們得先有一套仔細的方法,把作用在物體上的每一個力都清點出來:這就是自由體圖,以及生成成對力的牛頓第三運動定律。那些正是下一篇的內容。