什么是运动定律？

牛顿运动定律的应用

经典力学的基础由牛顿的三条运动定律奠定，这些定律最初由英国科学家兼数学家艾萨克·牛顿阐明。这些定律描述了作用在物体上的力与物体的运动之间的关系。

牛顿第一定律：惯性定律

根据牛顿第一定律，如果一个物体静止或以恒定速度沿直线运动，除非受到力的作用，否则它将继续以该速度运动或保持静止。

事实上，根据经典牛顿力学，静止和沿直线匀速运动之间没有显著区别；它们都可以被认为是不同观察者所经历的运动状态，其中一个观察者以与粒子相同的速度运动，另一个观察者相对于粒子以恒定速度运动。这个前提被称为惯性定律。

伽利略·伽利雷最初提出了地球水平运动的惯性定律，后来勒内·笛卡尔将其推广。尽管惯性概念是经典力学的基本前提和起点，但未经训练的人乍看之下并不容易理解。

在日常生活中和亚里士多德力学中，没有受到推动的物体倾向于静止。伽利略通过研究球体沿斜面滚动来推导出惯性定律。

伽利略必须解释，如果地球确实在自转并绕太阳公转，我们为什么感觉不到这种运动。为此，他必须解释惯性概念，这对他主要的科学使命至关重要。这个解释得到了惯性概念的支持，即因为我们与地球一起运动并有保持运动的趋势，所以地球对我们来说似乎是静止的。

因此，惯性概念曾是科学界争论的一个主要话题，远非不言而喻。到牛顿完善所有细节时，已经可以正确解释由于地球表面并非沿直线匀速运动而导致的与该图像的微小偏差（旋转运动的影响将在下面讨论）。牛顿的表述解释了物体没有受到推动倾向于静止的常见观察，这是由于摩擦力和空气阻力等不平衡力作用在它们身上的结果。

牛顿第二定律：F = ma

牛顿第二定律精确解释了力可以对物体运动造成的改变。根据该定律，物体动量的变化率在大小和方向上等于作用在其上的力。

物体的动量等于其质量与速度的乘积。像速度一样，动量既有大小又有方向，使其成为一个矢量。当力作用于物体时，动量的大小、方向或两者都可以改变。牛顿第二定律是所有物理学中最重要的定律之一。F = ma，其中 F（力）和 a（加速度）都是矢量值，可用于表示质量 m 恒定的物体。如果一个物体受到合力作用，它将根据该方程加速。另一方面，如果一个物体没有受到推动，则没有合力作用于它。

作用力与反作用力定律是牛顿第三定律。

根据牛顿第三定律，当两个物体相互接触时，它们彼此施加大小相等、方向相反的力。作用力与反作用力定律是第三定律的另一个名称。该定律适用于匀速或快速运动的物体，对于分析静态平衡问题至关重要，此时所有力都处于平衡状态。它所讨论的力是真实的现象，而不仅仅是计算技巧。

例如，一本放在桌子上的书对桌子施加的向下的压力等于书的重量。第三定律指出，书受到来自桌子的大小相等、方向相反的力。由于书的重量导致桌子发生微小变形，桌子像卷曲的弹簧一样将书推回。

如果一个物体受到合力作用，它将根据第二定律经历加速运动。如果一个物体没有受到合力作用，或者因为根本没有力，或者因为所有力都精确地被反作用力抵消，那么该物体不加速并被认为是处于平衡状态。另一方面，如果一个物体被观察到没有加速运动，则可以推断没有合力作用于它。

牛顿定律的影响

牛顿最伟大的著作是《自然哲学的数学原理》（1687年），通常被称为《原理》，其中首次出现了他的定律。1543年，尼古拉斯·哥白尼提出太阳可能是宇宙的中心，而不是地球。亚里士多德的世界观（古希腊人传给我们的）将被新的科学取代，新的科学还将解释日心宇宙如何运作。在随后的几年里，伽利略、约翰内斯·开普勒和笛卡尔为这门新科学奠定了基础。牛顿在《原理》中发展了这门新科学。

他创建了他的三项原理来帮助解释为什么行星的轨道是椭圆而不是圆形，他成功地做到了这一点，但事实证明他解释的远不止这些。从哥白尼到牛顿的一系列事件统称为科学革命。

20世纪，量子力学和相对论取代了牛顿定律，成为物理学最基本的原理。然而，除了像电子这样微小的实体或以接近光速运动的实体之外，牛顿方程仍然提供了一种可靠的自然解释。对于更大或移动较慢的物体，量子力学和相对论最终都归结为牛顿定律。

惯性

物体的惯性是一种使其抵抗试图使其运动的尝试的性质，或者如果它已经在运动，则抵抗改变其速度或方向的尝试。物体的惯性是一种被动特性，只允许它抵抗力矩等主动作用。一个运动的物体之所以继续运动，不是因为它的惯性，而是因为没有外部力使其减速、偏离轨道或加速。

物体的惯性可以通过两种不同的方式量化：它对力的施加的抵抗力由其质量决定，而它对特定轴施加扭矩的抵抗力由其绕同一轴的转动惯量测量。查看牛顿运动定律。

动态

动力学是力学的一个分支，也是物理科学的一个学科，它研究物理物体如何根据影响它们的力、质量、动量和能量而运动。

这是动力学的简要解释。有关全面处理，请参阅力学。

运动学（它根据位置、速度和加速度来解释运动，而不考虑其原因）和动力学（它关注力和扭矩对具有质量的物体运动的影响）都是动力学的子集。

伽利略在16世纪末通过实验用光滑球体沿斜面滚动来发展落体运动定律，从而为动力学奠定了基础。他还是第一个意识到力是决定物体速度变化的原因的人，艾萨克·牛顿在17世纪在他的第二运动定律中将这个想法编纂成典。根据这个方程，作用在物体上的力与其动量变化的速度成正比。此外，请参阅牛顿运动定律。

机制

力学是科学的一个分支，它研究力如何影响物体的运动，包括物体静止的特殊情况。物体之间相互施加的力是运动问题中的主要问题。根据作用力的性质，这导致了对重力、电和磁等主题的研究。给定力，人们可以寻找物体在这些力作用下运动的方式；这是力学的真正领域。

历史表明，力学是最早形成的精确学科之一。其潜在的数学美和早期在定量解释月球、地球和其他行星体的运动方面取得的非凡成功，对哲学思想产生了重大影响，并为科学以系统方式发展提供了动力。

静力学（处理作用在静止物体上和内部的力）、运动学（描述物体或物体系统的潜在运动）和动力学（旨在解释或预测在特定场景中将发生的运动）是力学的三个分支。或者，力学可以根据所检查的系统类型进行分类。

粒子是一个如此微小的物体，以至于它的形状和内部结构与当前情况无关，使其成为最简单的机械系统。由两个或更多相互作用且可能也受到外部影响的粒子组成的系统的运动更具挑战性。

机械概念已被应用于三大类现象。可以提前数百年对恒星、行星和卫星等天体的运动做出极其准确的预测。

（相对论预测了与经典或牛顿物理学运动的一些偏差；但这些偏差如此微小，只有通过极其精确的技术才能看到，除非在涵盖整个可探测宇宙或其重要部分的事件中。）

在第二个领域中，经典力学精确地描述了地球上日常物体，小到微观尺寸，以远低于光速的速度运动。尽管力可能非常复杂，计算缺乏天体力学的优美简洁性，但建造桥梁或飞机的工程师可以自信地应用经典力学的牛顿方程。原子和亚原子尺度的物质和电磁辐射的行为属于第三类现象。尽管早期在用经典力学描述原子行为方面取得了一些微小突破，但量子力学是处理这些现象的正确框架。

历史背景

最初的理论

对太阳、月亮和无需望远镜即可观察到的五颗行星（水星、金星、火星、木星和土星）运动的研究导致了天体力学的发展。“行星”一词来源于希腊语中“流浪者”的意思，因此一些文化将这些可移动的物体与不可移动的天空提升到神灵的地位是有道理的。这种地位在占星学中仍然以某种方式保留，其中行星和太阳的位置被认为对地球上人们的生活有一定影响。

行星是神圣的并且它们对人类行为有影响的想法可能是对行星运动进行彻底、持续监测以及创建复杂模型来预测其未来位置的主要灵感来源。

希腊天文学家托勒密（约公元140年居住在亚历山大）提出了行星运动理论，该理论以地球为中心，所有其他行星、月亮和太阳围绕地球运行。从地球观测到的行星在天空中移动的速度各不相同。它们有时甚至会改变运动方向，但很快就会回到主要方向。

托勒密认为，行星以不规则的方式绕着称为本轮的小圆运动，本轮的中心在称为均轮的更大圆上绕地球公转。

运动的其他差异通过将每个行星均轮的质心从地球稍微移动来解释。托勒密通过仔细平衡速度和距离，能够以高度精确的方式预测行星的运动。他的方案被认为是无可争议的正统观念，并持续了超过一千年，直到哥白尼时代。

尼古拉斯·哥白尼认为地球只是围绕太阳公转的行星之一。他证明这个以太阳为中心（日心）的模型与所有证据一致，并且比托勒密的方案简单得多。他不得不加入一些本轮来匹配非圆形轨道上的运动，因为他认为行星运动必须是匀速圆周运动的组合。

本轮类似于傅里叶级数概念，目前用于描述行星运动。（傅里叶级数是周期项的无限累积，它们在正值和负值之间平滑波动，振荡频率项项不同。）

随着保留的项越多，它们对其他函数的近似值越好。）此外，哥白尼计算了他的日心太阳系的相对大小，结果与当前计算非常相似。

第谷·布拉赫（1546-1601），出生于哥白尼去世三年后，也是哥白尼的日心太阳系模型发布三年后，他仍然相信地心模型，但只让太阳和月亮绕地球运行，所有其他行星绕太阳运行。尽管这个模型反映了不必要的复杂性并且在物理上不准确，但它在数学上与哥白尼的日心模型相等。

第谷收集了20多年的天文观测数据是他最大的贡献；他对行星和恒星位置的测量达到了前所未有的精度，约为2角分。1/60度等于1角分。

第谷20多年的天文观测是他最大的贡献；这些观测使他能够以约2角分的前所未有的精度测量行星和恒星的位置。一度的1/60是一个角分。

开普勒行星运动定律

约翰内斯·开普勒（1571-1630），在第谷去世前不久在他手下工作，在第谷去世后获得了他的观测资料。开普勒通过经验得出了他著名的三条行星运动定律，它们是：（1）行星的轨道是椭圆，太阳位于一个焦点；（2）从太阳到行星的径向线在相等的时间内扫过相等的面积；（3）任意两颗行星绕太阳公转周期的平方比等于它们相似体的半长轴的立方比。

引力研究

由于历史原因，因为牛顿将这两个领域都达到了高度完善的水平，并且由于其普遍性，该研究领域在历史上被归类为经典力学。根据牛顿的万有引力定律，宇宙中的每个固体粒子都以沿连接它们的直线作用的力相互吸引，其强度与它们质量的乘积成正比，与它们间距的平方成反比。

经典力学的第一个成就是牛顿对行星和月球轨道的彻底解释，以及对潮汐和春分点岁差（地球自转轴方向缓慢周期性变化）等更微妙的引力效应的解释。

火箭和太空飞行的基本概念可以在不需要额外原理的情况下理解，尽管当然这些壮举需要相当大的技术实力。

广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦发展的当前引力理论。

爱因斯坦对加速度可以在局部抵消引力（例如宇航员在绕地球运行的航天器中所谓的失重状态）这一事实感到着迷，从而从牛顿第二运动定律和他的引力定律中长期已知的“质量”数量相等性，导出了弯曲时空的概念。

自1915年完成以来，该理论因其数学上的优雅和预测少数现象（例如光线在大物体周围的引力弯曲）的能力而备受赞赏。

然而，它最近才成为理论和实验研究的关键领域。（相对论力学，它不是引力理论，指的是爱因斯坦的狭义相对论。）

热力学、统计力学和热的研究

热是一种内部能量，与辐射或构成物质的无规则运动分子相关。温度的定义不包括分子结合能和旋转能，它是一个物体内部能量的一部分的平均值。

绝对零度（-273.15 °C 或 -459.67 °F）被认为是物质所能达到的最低能量状态。热平衡是指一个孤立的物体以及两个或更多相互接触的物体最终达到均匀温度。热力学是对物质在热平衡（或接近热平衡）状态下的正式研究。它可以分析各种热系统，而不考虑其特定的微观结构。

第一定律

热力学第一定律是力学中的能量守恒原理，它扩展到包括热，并指出在孤立系统中，能量在所有变化中保持不变。

第二定律

根据热力学第二定律，在没有外部物体（如冰箱）帮助的情况下，热量不能从温度较低的区域流向温度较高的区域。

对系统组成粒子之间无序程度的测量是熵概念的核心。例如，抛掷硬币会产生一系列看似随机的正面和反面，这比趋于聚集在一起的正面和反面具有更高的熵。第二定律的另一种表述是，孤立系统的熵永远不会随时间降低。

第三定律

根据热力学第三定律，在绝对零度时熵为零，这对应于最有组织的状态。

统计数学

通过假设分子混沌并利用概率规则，统计力学从其分子组成部分的力学性质推导出系统的宏观性质。

根据热力学第二定律，孤立系统最终会发展到混沌状态（熵最大的状态），假设粒子的任何潜在配置都同样可能。

统计力学可以推导出热力学定律，但超越了它们，通过解释波动（即与仅描述平均行为的热力学定律的短暂偏差）来解释波动，其特征是这种以数学精确形式表达的推理。布朗运动，或悬浮在流体中的微小粒子的随机运动，是波动现象的一个例子。