09 什么是引力?
引力,又叫万有引力。“万有”的意思很明显,就是说这种力是普遍存在的,任何两个有质量的物体之间都有这样一种力,谁也跑不掉(在牛顿力学里先这样理解,以后学了广义相对论,你会对引力有更加深刻的认识)。这个意思很直白,就是说万物之间都会相互吸引。
你可能会疑惑:不会吧,万物之间都有吸引力?我和同学、课桌、教室之间也有?为什么从来没感觉到?引力的确是万有的,不要说跟你同学,就是跟看“长尾公众号”的手机、跟绣花针之间都有引力。只不过这些力都太小,人们察觉不到。
为什么引力小呢?当然是因为质量小。你的体重在引力眼里不值一提,想感受引力,就得选个质量大的。比如,你可以选择教学楼,你和一栋楼之间的引力就比两个人之间的大多了(想想教学楼的质量是你同学的多少倍)。不过,这个引力还是太小,依然感觉不到。那再大一点,选择喜马拉雅山。很可惜,还是太小。你可能要发飙了,我和这么大一座山之间的引力还小?你怕不是来忽悠我的吧。还嫌质量小,那我把整个地球选给你好不好?好,那我就不客气地签收了!这次你选对了。
引力虽然是万有的,但是它非常微弱,我们需要地球这个级别的物体才能直观感受到它的存在。
地球和我们之间的引力深深影响着每个人的生活,它给了我们安全感,也给了我们恐惧感;它让地球不会分崩离析,也俘获了月亮的心……
你可以想一想,为什么你每次跳起来之后都会落回地面?你可能觉得这理所当然,或者从来就没想过,似乎“每个物体都会往下落”是天经地义的事情(就像亚里士多德说的“××天然有向地球中心运动的趋势”一样)。
但是,你想想惯性定律,万物都是“懒”的,人也一样。如果没有外力影响,物体会一直保持原来的运动状态。原来是静止的,后面就一直静止;原来有一个速度,后面就一直以这个速度匀速直线运动。
我们跳起来时,速度是指向天上的,跳起来后慢慢减速,到了最高点速度为0,然后开始反向加速下落。整个过程中,速度的大小和方向都发生了明显的变化,这就表明跳跃时肯定受到了其他外力的影响,这个力让我们的速度发生了改变。但是,我们跳起来后明明没有跟任何东西接触,那这能是什么力呢?答案是引力,是我们和地球之间的万有引力。
任何两个物体之间都有引力,地球和地面上的物体之间当然也是。你可以把地球想象成一个巨大的吸铁石,它对地面上的任何东西都有强大的吸引力,所以高处的物体总会往低处走。于是,你跳起来,又会被吸回来;苹果会被吸到地面;高处的水会被吸到低处;你提着一袋东西觉得重,那是因为地球想把这袋东西吸过去,但你“死死拽着”不放,你在跟地球拔河;月亮一直围着地球转,也是因为被地球吸住了,想跑跑不掉……这些,都是地球引力干的,它吸引着一切,感知极强。
因为我们生活在地球,从小就感受着来自地球的引力,所以早已见怪不怪。但是,如果哪天你到了月球,因为月球的引力比地球小很多,你可能轻松一跳就是两层楼高;如果在外太空,可能轻轻一跳,就永远下不来了。
长尾君当年学习引力时,还解开了一个困惑我多年的谜题,内心倍感舒畅,这里也分享一下。
从小我就知道人类生活在地球表面,那么问题就来了:我住在地球“上面”,头朝上,那住在地球另一面的人岂不是脚朝上?为什么他们没有掉下去?直到学了万有引力,我才恍然大悟:原来大家都是被地球吸住的!根本就没有什么绝对的上下,也不是上面的东西天生就要往下落,而是大家都被地球吸得往地心方向跑而已。
好,到这里,相信大家对引力已经有一个概念了。但这还远远不够,虽然知道了苹果下落、月亮围着地球转都是引力造成的,那引力具体是怎么影响它们的呢?这个地球引力到底会使苹果以多大的加速度下落?1s后苹果的速度是多大?2s后会下落几米?它会使月亮以多长的周期围着地球转?
如果不把这些细节搞清楚,我们也不好意思说弄懂了它们的运动情况。说白了,我们必须能定量算出两个物体间引力的大小,然后才能用牛顿第二定律F=ma算出具体的加速度,进而分析物体的运动细节。