力的概念的起源

1、力的概念的起源通过下面一些历史材料的综合，就会发现这样的事实：力的概念最初是人类在劳动 中通过肌肉紧张的感觉而产生的。后被自然科学家借用而成为物理学的基 本概念。力的 概念是经过许多力学工作者的琢磨加工，逐渐完善起来的。从力的 概念的产生到力的概 念逐步明确的过程中，力与碰撞过程始终紧密地连系在一起一、墨经对力的认识在公元前480-380之间，中国的墨翟（约公元前478 392）及其子弟所著的墨 经一书，对运动和力有明确的定义。在力的概念及许多力学知识方面，走在同时代的前 列。闪耀着中华民族智慧的光辉。墨家考察了人体对周围环境的作用，看到人们通过肌肉的动作，如举、持、掷、踢、 蹬，可以使别的物

2、体发生位置移动，从而总结出肌肉力的概念。经第二十一条指 出，：“力，刑之所以奋也。”这里“刑”同形，指人体，物体；“奋”，指克服阻抗而 运动。奋字在古汉语中的意义是很丰富的，诸如由静到动，由慢到快；由下而上等等都 叫做奋。因而墨家的这句话可理解为：力是物体由静而动，由下而上，或由慢到快的原 因。这是对力下的一个很正确定义。由于力不易见，而重是显而易见的，人人都能看得 到，所以，墨家又以举重为例加以阐明。同条经说指出：“力，重之谓。下、与，重 奋也。”这里“下”是指物体下坠；“与”是举物向上。意思是说，重是一种力，力和重 相当，物体下坠、上举，都是基于 重的作用的运动。墨家把力和物体运动的原因联

3、系起来，初步认识到了力可以改变物体的运动 状态。 在当时，这是对力的概念的很了不起的很重要认识。特别是墨家己把力和 重联系起来， 把重看成一种力，可以说这是人类对力的最早的理性认识。经第一百二十七条的经说还指出：“凡重，上弗挈，下弗收，旁弗却，则直下。”即认为自由落体的轨迹 必坚直向下。说明墨家对重量产生的力观察研究得十分深入。墨家对阻力、惯性，浮力以及墙体和梁的受力等都有精细的分析。对力的平衡，扛 杆、滑轮、轮轴和斜面的力学知识也有深入的理解。二、古代原子论中的碰撞作用观点远在公元前，古原子论奠基人之一伊壁鸠鲁（Epicurus公元前342-270）就正确 地提到碰撞：“当原子在虚空里被带向

4、前进而没有东西与它们碰撞时，它们一定以相等 的速度运动。”用今天的观点来看，这里所说的碰撞显然有着力的含义。德谟克利特（Democritus,公元前460370 ）是一个很博学的人。他到过巴比伦、 波斯、埃及、印度和埃塞俄比亚。在他的原子论中包含着这样的一种思想：原子在本质上 都是相同的，它们之间的作用是通过碰撞、挤压而传递的。亚里士多德(Aristoteles ,公元前384-322 )认为物体的运动只有在外界 的不断 作用下才能产生，也就是说，他认为力是产生运动的原因。但这种说法解 释不了抛射运 动，于是出现了冲力说。三、冲力说的概念冲力说的早期代表是六世纪亚历山大的一个学者，名叫约翰斐劳

5、波诺斯(John Philonos )，所谓冲力，就是和物体运动具有同一方向的动力。物体运 动速度越 大，物体得到的冲力就越大。很显然，这里所说的“冲”就有碰撞的含意，冲力其实就 是一瞬间的碰撞力。正是由于冲力说把力与碰撞联系起来，才使 得力的概念向着正确的 道路前进。斐劳波诺斯认为上帝创世之初就赋予天体一种“冲力”，即一种不随时间消逝的动 力。这种动力可以维持物体永远运动下去。因此，运动的物体一般并不需要经常有个推 动者和它接触，直到这种冲力耗尽为止。1327年，任巴黎大学校长的琼.比里当(Jean Buridan )也是冲力说的拥 护者。 他持有这种观点：在运动的物体上存在一种冲力，天体正

6、是由于冲力而运 动的。只是由 于天空中没有空气阻力，冲力作用不会减退，所以天体就一直运动下去，从而否定天神 推动天体运转。四、碰撞过程的研究碰撞问题是17世纪力学中心问题之一。随着对碰撞过程研究的不断深入，力的定义 也日趋完善。1.伽俐略对碰撞的研究冲力说对伽俐略(Galilea)的影响很大，他本人早期就是冲力说的信奉者。他通过 对落体运动的研究，提出了如下想法：唯有重量才是物体产生运动或变化 的原因。伽利 略关于碰撞的论述保留在新科学对话的草稿上，对话原稿的第六天内容碰撞的力 后来发表于1718年。从这本著作中可以了解到伽利略已经把碰撞和力联系起来，并作过 了各种努力，想把碰撞问题以某种数学

7、形式加以 归纳，但没有完全获得成功伽利略曾经用天平观测过下落水柱的冲击力，他认为冲击力与物体质量以及它下落中 获得的速度有关。并试图确定碰撞过程中冲击力的作用与质量和速度的关系。2 笛卡儿的碰撞理论笛卡儿(RDescartes )就比伽俐略更进了一步，特别值得强调的是，他提出过这样 两条原理：a. 用反复给予的小冲击来代替作用于落体上的重力；b. 一旦开始运动的物体，只要没有受到妨碍，就会不断地继续运动下去。很明显，从笛卡儿所用的冲击、妨碍两词来分析，他已经把重力分 解成一种连续 不断的碰撞，并且认为物体不受到碰撞就不会改变运动状态。他认为：所谓力就是特定的 物体所具有的实在的西，它的大小由动

8、量给出。笛卡儿1644年在哲学原理第二部中论述了有关碰撞的7条定律：两个以大 小相等、方向相反的速度碰撞的同样物体，在碰撞后交换速度。如果物体A比物体B 大得多，那么碰撞后它们以同一速度沿A原来的方向运 动。如果物体A和物体B大小相等，但A速度大，那么A把超过B的速度的一半传给B。 如果物体B大于物体A,(即使大得不多)，而且物体B静止，则碰撞时物体A将不能推 动B,而自己反弹回去。(5) 如果物体A大于物体B,且B静止，则无论A的速度多么小，都将推动B沿着自己运 动的方向以同样的速度运动，其中物体A将把与物体B相应的部分运动传给B。(6) 如果两物体相等，且物体B静止，则B将部分地被推动，A

9、也部分地被弹回。如果A 的速度为4,则A留其3, B得其1。如果物体B大于物体A,而A的速度大于B的速度运动方向相同，贝U可能有三种情 况：若两物物体质量之差小于两速度之差，则A将传给B部分运动；若两物物体质量之 差大于两速度之差，则A反弹回来，不传递增运动；若两物物体质量之差等于两速度 之差，则A将传给B 一部分运动，而自己以剩余的运动反弹回来用今天的观点来看，这7条定律中当然存在一些缺陷和错误。在笛卡儿看来，空间是充满着物质的，其各部分的运动只因相互发生碰撞才发生变 化。他否认了隔开一定距离发生作用的那种力。把碰撞理论放在动量守恒 的基础上来处 理。因为笛卡儿的碰撞理论有缺陷，他也没有能正

10、确地解决碰撞问题，他的力的 概念也 有严重的缺陷。例如，莱布尼兹(Leibniz)曾经通过一个具体的碰撞例子 发现了这些缺 陷。尽管笛卡儿的碰撞理论还有不少的缺陷，但惠更斯(C.Huyge ns)和牛顿(Newton)在此基础上展开了碰撞问题的正确研究，从而开始奠定了近代力学的基础。3. 惠更斯的碰撞理论惠更斯的碰撞理论被认为是在1656年前完成的，但他的碰撞理论在他死后(1703 年)出版的物体碰撞运动一书中才首次发表。和惠更斯同一时代的沃 利斯Jwallis), 雷恩(Cwren)和胡克(R.Hooke )也发表了有关碰撞问题的论文。他们所得的结论基本相 同，但以惠更斯最为完整。他提出了作

11、为论述碰撞问题的几个公理，周密地论述了弹性 体的对心碰撞。人们认为，1673年马略特(E.Mariotte )发表的论物体的碰撞和惠 更斯的物体碰撞运动是关于弹 性碰撞理论的经典名著。惠更斯的碰撞理论是以下述三个假设(公理)作为基础的：(1)“运动起来的物体，在未受到阻碍作用时，将以不变的速度沿直线继续运 动。”“两个具有相同质量的物体，以相同速度相向作对心碰撞后，两者都以相同的速度向相 反方向运动。”“当两个物体碰撞时，即使它们同时参与另一匀速运动，在也具有这个共同运动的观察 者看来，两个物体的相互作用就好象不存在这个共同运动一样。”特别需要指出的是，惠 更斯在碰撞过程的研究中得出许多重要的

12、力学原理。例如：其一，两个物体所具有的运动量在碰撞过程中都可以增多或减少，但是它们的量值 在同一方向的总和却保持不变，如果减去反方向的运动量的话。其二，在两个物体的碰撞中，它们质量和速度的平方乘积的总和，在碰撞前后保持 不变。4. 牛顿对碰撞的研究牛顿在不知惠更斯结果的情况下，也对碰撞问题进行了深入的研究。在他的手稿 中，把碰撞作为具体问题进行论述。他论述了质点的弹性碰撞问题、有广延 性物体的非 对心碰撞问题以及旋转着的许多物体的碰撞。这是极为复杂的，但结 果是正确的，这就 充分说明了牛顿对碰撞问题的研究已经达到了多么深入的程度。牛顿认为，所谓力就是使物体运动状态发生变化的动力。他说明，作为定

13、量的定 义，力是和动量的变化成正比例的。牛顿在自然哲学的数学原理一书中把作为产生加 速度原因的力和惯性力、碰撞、压力、向心力相提并论，似乎领悟 到力和碰撞的某些联 系。不过，牛顿提出的作用力和反作用力定律肯定是通过对 碰撞过程的研究而得出的。实际上，牛顿通过对碰撞过程的深入的研究，不自觉地总结出力具有大小、方向和作 用点三要素，发现了碰撞过程的三个基本特性，即牛顿三大定律。他从根本上把握了惯性 定律、力的大小和动量的变化率成正比以及作用力与反作用力等大反向。从此，力的定量 概念就逐渐明确起来。这也是牛顿能成为一颗明星的 根本原因。五、结论从上述讨论可知，力是与碰撞密切相关的概念，正确的碰撞理论未被建立以前，力 的定量概念也没有确立，在正确的碰撞理论（弹性碰撞）完成以后，力的定量概念也逐渐 明确。对力学作出重大贡献的科学家中，无一不深入细致地研究过碰撞。因此，我们完 全有理由认为：力的概念是从碰撞过程中抽象出来的。也 就是说，力的概念起源于碰撞。历史上最近一段相当长的时期，由于牛顿三大定律正好掩盖了碰撞过程，人们对碰 撞过程研究的热情冷