牛顿第三运动定律

title: 两种版本.
content: 作用与反作用定律又分为两种版本:强版本和弱版本。在本条目里研讨的第三定律是「弱版作用与反作用定律」。「强版作用与反作用定律」,除了弱版作用与反作用定律所要求的以外,还要求作用力和反作用力都作用在同一条直线上。万有引力与静电力都遵守强版作用与反作用定律。可是,在某些状况下,作用力和反作用力并不同线(两作用点的连线)。例如,假设两个呈平移运动的电荷,平移速度相同,但并不垂直于两电荷的连线,则由必欧-沙伐点电荷定律与洛伦兹力定律所计算出的作用力和反作用力并不同线,这对力只遵守弱版作用与反作用定律。又例如,假设两个呈平移运动的电荷,平移速度相互垂直,则它们各自感受到的电磁力不遵守弱版作用与反作用定律。
title: 牛顿的论述.
content: 拉丁文原版第三定律的英文与中文翻译分别为  牛顿用马拉石头的例子来解释。假设一匹马拖拉着石头,则马同样地也被石头拖拉,因为分别在两端系住了马和石头的绳索,其施加于马的张力 formula_4 是源自于石头的拖拉,其试图朝着石头的方向(称为后方)拖拉马,类似地,绳索施加于石头的张力 formula_5 是源自于马的拖拉,其试图朝着马的方向(称为前方)拖拉石头,这力 formula_4 会阻碍马向前方移动,而力 formula_5 则会促使石头朝着前方移动。  既然马与石头都同样拖拉对方,为什么马与石头会朝着前方移动,而不是朝着后方移动?这是因为马与石头已经朝着前方呈匀速运动前进,石头感受到来自于马的张力 formula_5 恰巧抵销了石头遭遇的摩擦力 formula_9 (朝着后方),即 formula_10,没有净力促使其加速或减速,马感受到来自于石头的张力 formula_4 又恰巧抵销了地面施加于马的摩擦力 formula_12 (朝着前方), formula_13,净力也等于零,所以马与石头仍旧会朝着马的方向呈匀速运动。注意到 formula_12 与 formula_4 不是一对作用力与反作用力; formula_12 与马施加于地面的摩擦力 formula_17 是一对作用力与反作用力。同样地,formula_9 与 formula_5 不是一对作用力与反作用力; formula_9 与马施加于地面的摩擦力 formula_21 是一对作用力与反作用力。  假设最初马与石头都处于静止状态,而石头感受到来自于马的张力 formula_5 大于石头遭遇的摩擦力 formula_9,即 formula_24,则石头感受到的净力 formula_25 会促使石头呈加速度运动。由这加速度运动所生成的惯性力,其与净力之间的关系为大小相等、方向相反。  牛顿然后论述到碰撞问题。假设物体A碰撞到物体B,改变了物体B的运动,则物体A也会改变自己的运动。由于这碰撞而造成的两个物体各自对应的运动改变,假若没有其它外力介入,则两个物体动量的改变相等,而不是速度的改变相等。由于两个物体各自的动量改变,其大小相等、方向相反,所以每个物体的速度改变与质量成反比。  牛顿用第三定律来推导出动量守恒。但是,根据高等物理理论,动量守恒比第三定律更为基础。适用于更广泛领域的动量守恒不需基于牛顿定律。  为了要证实第三定律的正确性,牛顿提到了克里斯多佛·雷恩、约翰·沃利斯、克里斯蒂安·惠更斯与埃德姆·马略特使用单摆来对于硬物的碰撞规则所进行的一些调研。他还描述了一些自己使用铁球、木塞与玻璃等物体来完成的实验。从这些实验获得的数据,他总结,对于物体碰撞问题,实验结果与第三定律全吻合。  牛顿又想出一个实验。假设在两个互相吸引的物体A、B之间,置入一个隔离体C,防止两个物体A、B聚集在一起。假若物体A或物体B之中有任何一个物体感受到更大的吸引力,例如,假若物体A感受到的吸引力大于物体B感受到的吸引力,则与物体B施加于隔离体C的压力相比较,物体A会施加更大的压力于隔离体C。因此,隔离体C不会处于平衡状态,它会与两个物体A、B所组成的系统共同朝着物体B的方向移动,而且永远呈加速度运动。这样的结果违背了第一定律。根据第一定律,假若无外力施加,则整个系统的运动速度不会改变。所以,物体A、B分别施加于隔离体C的压力,应该大小相等、方向相反;物体A、B彼此施加于对方的吸引力,也应该大小相等、方向相反。  完成这实验并不困难。牛顿将磁石与铁块分别置入两只浮于水上的小船。由于磁石与铁块之间的吸引力,两只小船互相吸引,碰撞在一起,达成平衡静止状态。这样,牛顿证实了第三定律正确无误。
title: 成双结对的配对力.
content: 根据第三定律,力是物体与物体之间的相互作用,力必会成双结对地出现:其中一道力称为「作用力」,而另一道力则称为「反作用力」(拉丁语 "actio" 与 "reactio" 的翻译),又称「抗力」;两道力的大小相等、方向相反。它们之间的分辨,是纯然任意的;任何一道力都可以被认为是作用力,而其对应的力自然地成为伴随的反作用力。这成对的作用力与反作用力称为「配对力」或「第三定律配对力」。第三定律又称为「作用与反作用定律」。  假设在一个孤立系统里只有一个物体A,则这物体A绝不会感受到任何力的作用,必须存在有另外一个物体B施加力于这物体A,这物体A也绝不能施加任何力,必须存在有另外一个物体B感受这力的作用。  假设在一个孤立系统里有两个物体A与B,则在任意时刻,物体A施加于物体B的力与物体B施加于物体A的力,其大小相等、方向相反,而且不会出现其中一道力先于另一道力的状况。
title: 错误和正确的基本物理概念.
content: 作用力与反作用力这基本物理概念,时常会被许多人一知半解地应用。第三定律的现代表述为 在这里,必须清楚明了一个重点:这反作用力是施加于另外一个物体,而不是施加于感受到作用力的物体。举例而言,假设物体A、B彼此施加万有引力于对方,当物体A施加万有引力于物体B时(作用力),物体B也同时施加万有引力于物体A(大小相等、方向相反的反作用力)。  另外,在分析配对力时,有一点必须铭记在心:反作用力与作用力的物理本质是完全相同的。假若作用力的本质是万有引力,那么,反作用力的本质也是万有引力。倘若作用力与反作用力的物理本质不相同,则分析必不正确。
title: 历史.
content: 早在古希腊时期,亚里士多德就已提出关于作用力和反作用力的概念。亚里士多德在著作《物理学》里表明,物体A作用于物体B,这是通过物体A接触到物体B,可是,接触是一种「相应关系」(reciprocal relation),当物体A接触到物体B时,物体B也接触到物体A。他在著作《论产生和毁灭》里更详细的表明,物体可以分为数天物体与属地物体两种,属天物体与属地物体不同,属天物体是由更为优级的物质组成,因此当属天物体作用于属地物体之时,属地物体不会作用于属天物体。他又补充声明,所有属地的物体都会相应地作用于对方,然而,假若两个物体的强弱相差太大,则弱者将没有足够能力来作用于强者,例如,假若一小滴酒掉入一大桶水,则这一小滴酒将会变为水,而不会改变在大桶里的水的性质。他在著作《论动物运动》里对于走步的机械原理指出,为了实现走步,动物的足部必须压踩于固定物体,一般而言,当足部压踩于固定物体时,足部施加于物体的作用力会与物体施加于足部的反作用力完全平衡,只有当足部的作用力大于物体的反作用力时,动物才能实现走步。注意到亚里士多德从来没有以词语「作用力和反作用力」,而是以词语「相应作用」来表达他的论述,他认为,重点并不是当物体A作用于物体B时,物体A激发物体B反作用,而是当两个物体相互接触时,每一个物体会自己自主地作用于对方,这是一种对称性事件。  后来的希腊亚里士多德学评论者,例如狄米斯提厄斯、约翰·菲勒庞厄斯与辛普利希厄斯,对于亚里士多德的观点都深信不疑,他们特别强调属天物体与属地球物体彼此之间的单向关系,属天物体与属地球物体之间绝对不会出现相应作用。  十三世纪,随着亚里士多德的论述逐渐在西欧传开,西欧学者也开始接触到相应作用这论题,但是,在那时期,这论题并没有引起什么关注,直到十四世纪中期,在牛津的瓦尔特·博尔理、理查·斯湾司黑德与威廉·黑特斯博理、在巴黎的阿尔贝特与 马西利乌斯,在帕多瓦的 乔凡尼·卡撒理,才开始热烈辩论这论题。从十五世纪到十六世纪,在北意大利大学的一些学者,例如加埃塔诺·蒂内、吉欧帆尼·马利安尼等等,也都持续地关注这论题。通常而言,中世纪学者觉得,相互作用这点子非常艰涩;由于他们青睐研究天体行为,他们倾向于主张所有因果关系都具有非对称性,假若两个物体发生因果关系,强者会作用于弱者,并且改变弱者,而弱者不能作用于强者。一个物体是「施予者」,另一个是「承受者」,他们不能同时成为施予者与承受者。由于遇到种种困难,亚里士多德的相应作用概念逐渐地被默默抛弃了,取而代之的是,当较为强劲与主动的物体A作用于较为微弱与被动的物体B时,物体B会被激发而反作用于物体A,双方之中必定有一方逻辑优先于另一方。中世纪辩论随着皮特卢·庞珀拿济发表的著作《论反作用力》达到高潮,庞珀拿济在他的著作里详细研讨中世纪的各种论述,他总结,反作用力无疑会发生,然而并没有任何理论能够对之给出满意解释。  在十六世纪后期与十七世纪早期,力学开始发展成为一门新科学。最早的力学专家,例如意大利的乔万尼·贝内戴蒂与伽利略·伽利莱、荷兰的西蒙·斯蒂文,都没有特别关注到作用力与反作用力论题,他们主要是在研究静力学与与动理学。直到1630年代,学者们才开始聚焦于研究属地物体的撞击问题,越来越被怀疑的老旧的亚里士多德学渐渐地被力学哲学取代,根据那时期的力学哲学,任何关于物体运动状态变化的问题都可以在原则上被约化为粒子的运动问题,碰撞问题是最典范的物体运动状态变化的问题之一,而这问题的唯一作用模式为接触碰撞。在这方面的研究可以分为动理分析与动力分析。动理分析专注于研究,在碰撞前后,物体的速度与动量的改变,通常会通过某种守恒原理来描述碰撞事件的物理行为。动力分析主要研究在碰撞物体的接触接口所产生的作用力,尝试以作用力的角度来明白碰撞现象。  在动理分析方面,法国学者勒内·笛卡尔的论述是基于运动守恒原理与一些应用于各种物体碰撞案例的定律。在他的运动守恒原理里,守恒量被取名为「动量」,是重量与速率的乘积,是个标量,不是向量。例如, 假设物体A撞击到物体B,促使物体B改变它先前的运动状态。对于这案例,按照笛卡尔的运动守恒原理,物体A所失掉的动量就是物体B所获得的动量,而总动量维持不变。在笛卡尔的论述里,没有动力学的作用力与反作用力,但会有类似的动理学变化,即任何物体A的运动状态变化会跟物体B的运动状态变化相互匹配。再举一个碰撞案例, 假设物体A撞击到物体B,并且两个物体都没有出现任何动量的获得或失掉,虽然一个或两个物体的运动方向有所逆反,特别而言,物体A碰撞到无法移动的物体B,物体A因此以相同速率反向移动。对于这案例,笛卡尔认为,这不应该被视为物体A与物体B之间的相互作用,而应该被视为物体B的存在造成了物体A的方向被逆反。  捷克医生马克斯·马希是动力分析的开拓者,他用冲量来量度物体的碰撞。在这里,冲量是个向量,定义为物体的重量与速度的乘积,是物体内秉的性质,物体按照自己所拥有的冲量来移动自己或改变其它物体的运动。 假设两个碰撞物体的冲量的大小相等,或者一个物体与固定墙壁发生弹性碰撞,对于这两个案例,马希认为,作用力与反作用力相等。对于某些其它案例,马希的分析似乎意味着冲量较小的物体会施加较小的反作用力。  十七世纪中期,作用力与反作用力论题在英国受到日增月益的关注,肯能姆·迪格比在1644年发表的著作《两篇论文》(Two treatises)已卖到第三版,他在著作里主张,任何作用力都会涉及到反作用力,但是作用力与反作用力并不一定会相等。创建机械哲学的英国哲学家汤玛斯·霍布斯在1656年著作《哲学基础》(Elements of philosophy)里明确指出,作用力与反作用力的方向相反。 迪格比与霍布斯是良朋益友,他们常常在科研方面相互切磋琢磨。他们还有一个好朋友汤玛斯·怀特,他在1657年发表了著作《欧几里得科学家》(Euclides physicus),其终结了在亚里士多德学里关于作用力与反作用力的论述。在这本书里,怀特明确地断言,任何作用力都会引发大小相等、方向相反的反作用力。然而,对于作用力与反作用力的大小之所以会相等,他并没有给出正确解释。怀特的理论是亚里士多德学与力学的各种元素混合在一起的产物。如同亚里士多德与笛卡尔,他认为不存在真空,整个空间都弥漫着某种介质。但他不赞同笛卡尔所鼓吹的惯性原理,他觉得,只当受到外在影响时,物体才会移动,假若失去外在影响,则物体最终将会停止移动。怀特主张,假设物体A撞击到物体B,则物体A会在接触点压迫物体B,促使物体产生抵抗力,假若物体A的作用力足以克服物体B的抵抗力,使得物体B移动穿过环绕在四周的介质,则由于介质会抵抗被穿过,会产生反作用力于物体B,因此,物体A的作用力会被物体B的抵抗力与介质的反作用力抵销。  牛顿是否知悉这些前人的研究?他应该不曾阅读过《欧几里得科学家》,因为在那时期并没有什么科学文献以这本书为参考来源,尽管哥特佛莱德·莱布尼兹曾经仔细阅读过这本书,并且在私人手稿里对于这本书详细做摘要。在1660年代,牛顿曾经阅读了迪格比的著作《两篇论文》和霍布斯 的著作《哲学基础》。他很可能也曾经阅读过收藏在剑桥大学伊萨克·巴罗的图书馆的著作《时间展望》。在这本发表于1648年的著作里,作者法国物理学者艾曼纽·麦格南提出几个引理。第一个引理是以万有原理的方式阐明,任何作用力都会产生反作用力。第三个引理阐明,对于圆球坠落于平面的特别案例,作用力与反作用力相等。。所以,牛顿并不是凭空原创出第三定律,这定律的雏形老早就出现在亚里士多德的理论里,后来又出现在许多在牛顿以前地物理学者的著作里。  大约在1664年到1668年间,年龄才二十出头的牛顿开始研精覃思关于力学方面的论题。在被他称为「废书」(Waste Book)的笔记里,在一个名为「公理与命题」的列表里有几条命题是第三定律的早期版本,例如,  命题7:假设两个物体a与b朝着同样方向往点O移动,而且物体a赶上了物体b,则它们将不会失去任何运动,因为物体a对于物体b的压挤相等于物体b对于物体a的压挤,因此物体a的运动减少多少,物体的b的运动也会增加多少。  命题8:假设两个物体a与b朝着对方移动,并且在点O相遇,则它们将不会失去运动的差别与方向。对于这碰撞事件,它们同样地压挤于对方,因此,其中任何物体都不会比对方失去更多运动,它们的运动差别不会被摧毁。  在命题9里,牛顿声称,假设两个同样的物体以大小相同的运动速率对撞在一起,然后以同样速率反弹回去,在碰撞过程中,由于两个物体会相互压挤对方,两个物体之间的弹力会促使运动停止,然后,随着物体形状的恢复,物体的速率也会增加,最终两个物体的运动速率会等同先前,但方向会被逆反。  从1669年到1684年,在这15年间,牛顿都没有踏足于力学领域,但是之后,他又再度开始研究力学,他起草了6条运动定律,其中,第三条定律读为,

Summary: 在经典力学里,牛顿第三运动定律(英语:Newton's third law of motion)表明,当两个物体相互作用时,彼此施加于对方的力,其大小相等、方向相反。力必会成双结对地出现:其中一道力称为「作用力」;而另一道力则称为「反作用力」(拉丁语 "actio" 与 "reactio" 的翻译),又称「抗力」;两道力的大小相等、方向相反。它们之间的分辨,是纯然任意的;任何一道力都可以被认为是作用力,而其对应的力自然地成为伴随的反作用力。这成对的作用力与反作用力称为「配对力」。