浅谈牛顿定律与惯性系

牛顿（1642—1727），英国伟大的物理学家、数学家。生于林肯郡伍尔索普的一个农村家庭，恰与伽利略的去世是同年。他12岁进金格斯中学上学。那时他喜欢自己设计风筝、风车、日规等玩意。1668年获得硕士学位；1672年牛顿入选英国皇家学会会员；1689年当选为英国国会议员；1696年出任皇家造币厂厂长；1703年当选为皇家学会会长；1705年英国女王加封牛顿为艾萨克爵士。

牛顿是17世纪最伟大的科学巨匠。他的成就遍及物理学、数学、天体力学的各个领域。他在物理学中的最主要成就中就有综合并表述了经典力学的3个基本定律——惯性定律、力与加速度成正比的定律、作用力和反作用力定律。而这些定律正如一般定律一样是有一定适用范围的，这些定律的适用体系就被称作惯性系。

关于牛一律，有人认为，他是抄袭前人的成果其实不然。的确，伽利略已经提出了与这个定律相似的实验结果，但他并没没能把这个实验结果总结成定律，又因为牛顿出生时伽利略恰好去世，所以他也没有“抢注商标”的嫌疑，可以说他已经给伽利略这一代人足够的机会了，只是他们没能好好把握罢了。这个定律有什么作用呢？首先确定了力是改变物体运动状态的原因而不是维持物体运动的原因，这一点看似得来得十分容易，但却的确有很大的现实意义，它推翻了统治了几千年的亚里士多德学说，成为现代物理学的开端。而且，这条定律还确定了一切物体都具有惯性，惯性只与质量有关。

但既然物体的运动状态好似有物体所受到的力改变的，那么，力与物体的运动状态又有什么关系呢，牛顿经过试验和推理又发现了牛二律，即“ΣF=ma”并规定力的单位为kg•m/s2。这一定律明确的给定了力与加速度的关系，质量与加速度的关系，更重要的是他定了力的单为“kg•m/s2”，这样实力有了标准的度量，不再像以前一样用千克力的概念，不是很明确。明确了力与加速度的关系，很好的解释了一些现实中的现象，为后来物理学的发展起到了奠基的作用。但值得注意的是，这一条定律只在惯性系中成立，在非惯性系中是不成立的。在应用这条定理是要特别小心。

但在力的分析中会发现，有一些物体的受力情况很难判定，尤其是两个物体之间一个物体对另一个物体的作用已知的情况下，该物体的受力情况应该是如何的呢？牛顿第三定律就在这种情况下诞生了，“两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上”他大大的简化了受力分析的难度，给受力分析提供了一定的理论依据。

以上三条定律成为了动力学的基础，它们使运动学和力学不再是两个毫不相干的物理学分支，而是通过牛顿运动学定律这个桥梁为了统一的整体。这是物理学的一个有跨时代意义的伟大的成就。它是实验与推理的综合结果，体现了屋里写的思维魅力。

前面一直提到惯性系，他到底又是什么呢?惯性系就是受合外力为零或不受外力的一个体系，一般来说，可以把地球看作一个惯性系，但这其实是不完全正确的，地球受的合外力并不为零，如果把地球看作惯性系，那么有一些现象是不能解释的，如地球表面的河流，在北半球，右侧冲刷的厉害，南半球，左侧冲刷的厉害（这里的“右”侧和“左”侧，是指观测者面向河流流动方向的）”

在地理学中，我们学过，这是由于地转偏向力的作用，地转偏向力是如何来的呢，其实它是不存在的，也就是说，它就是在非惯性系中的“惯性力”

具体地说这种现象之所以发生，是因为物体具有惯性，力图保持其运动速率和方向。然而，地球上的水平方向都以经线和纬线为准，经线的方向就是南北方向，纬线的方向就是东西方向。但是由于地球的自转，作为南北和东西方向基准的经线和纬线，都随着地球自转而不断的改变着它们的空间的方向。于是，真正保持不变方向的物体的水平运动，用地球上的水平方向表示，倒是相对地发生了偏转。地球自转的方向是自西向东，在北半球是逆时针方向，即自右相左转动；在南半球是顺时针方向，即自左相右转动。因此，北半球的经线和纬线都向左偏转，以致那里的水平运动方向相对地发生右偏；南半球的经线和纬线都向右偏转，以致那里的水平运动发生左偏如图5。按惯性定律推论，如果物体改变它的速率和方向，那么，这种变化必定受到外力的作用。于是，人们设想有一个假想的力作用于水平运动物体，使它发生左右偏转。法国科学家奥利（1792-1843）最早研究并证明它的存在，故称这种视力为科里奥利力（或简称科氏力）。地理和气象学上则形象的称它为地转偏向力。F=2mVωsinθ

(m为物体质量，V是水平运动速度，ω为地球自转角速度，ωsinθ即傅科摆偏转速度)。地转偏向力的存在，对许多地理事物产生深远的影响：（1）地转偏向力影响大气环流。（2）在北半球，河流对右岸冲刷比左岸强烈，以致大河右岸通常较为陡峭，而左岸较为平缓。由于这个原因，北半球的河流一般总是从右面绕过障碍，一般在河流的右岸修深水港，南半球情形相反。（3）工程技术方面也不乏地转偏向力影响：如在北半球，机车右轮通常比左轮磨损得更快；发射火箭时，如不计算地转偏向力的影响，就不会有效的命中目标。

以上，从三个现象简要谈到了惯性力、惯性离心力、科里奥利力，它们只能在非惯性系中观测到，不是由物体之间相互作用而产生的，但是又的确存在，通过研究其中的规律，有利于我们对自然规律进一步加深认识，从而服务于人类。

以上事例中就已经体现出了如何解决非惯性系中物体受力分析的问题了，如何能使物体在非惯性系中的运动与力的关系继续可以使用牛顿经典力学中的定律呢，就要引入惯性力等概念，比如一个惯性系受到的合外力F那么就要把这个力使整个体系产生的加速度a与被研究物体的质量作积，并作为惯性力作用在物体上，其方向与体系的加速度方向相反，这样牛顿经典力学定律就成立了，惯性系是一个理想模型，但经过引入惯性力的概念后就可以把这个理想模型推广开了，它使牛顿定律有了实际的意义。

总之，牛顿定律与惯性系都是现代物理学中的重要概念，它们是物理学的基石。是人类在物理学中的伟大发现。