運動與力

馬力(Horse power)

馬力(Horse power)
國立師範大學物理系博士後研究員胡耿銘

定義

馬力是功率的單位,又俗稱為“匹”,源自英語 $$\bf{horse~power}$$ 翻譯而來,概念上是指一匹馬所做功的功率。而一般最常見被提到的馬力定義上有兩種,英制馬力與公制馬力。

  • 英制馬力(horsepower,簡寫成 $$\bf{HP(I)}$$):$$1$$ 英制馬力的功率等量於在 $$1$$ 分鐘(minute)的時間內做了將一個 $$33000$$ 磅重(pound weight)的物體舉起 $$1$$ 呎(foot)的功。
  • 公制馬力(metric horsepower):根據DIN 66036的定義1,2,$$1$$ 公制馬力(PS)的功率等量於在 $$1$$ 秒(second)的時間內做了將一個 $$75$$ 公斤重(kgw)的物體舉起 $$1$$ 公尺(meter)的功。

力學能(Mechanical energy)

力學能( Mechanical energy)
國立臺灣大學物理系簡嘉泓

定義

或譯為機械能,為動能與位能的總和,位能即常見之重力位能、電力位能及彈性位能等保守力造成之位能,其單位為焦耳$$(J)$$,且僅有大小而無方向,若一物體含有越多的位能則代表它能夠對其他物體做越多功(work)。

力學能守恆

力學能的定義為位能 $$U$$ 與動能 $$E_k$$ 之總和,即 $$E_{mechanical}=U+E_k$$

動能與位置無關,僅與物體之質量 $$m$$ 與速度 $$v$$ 有關,定義為 $$E_k=\displaystyle\frac{1}{2}mv^2$$

位能僅與物體在保守力場中之位置有關,從 $$\vec{x_1}$$ 移動到 $$\vec{x_2}$$ 的位能變化可表示為

$$\displaystyle \Delta U=-\int_{\vec{x_1}}^{\vec{x_2}} \vec{F}\cdot\mathrm{d}\vec{x}$$

$$\vec{F}$$ 為物體在力場中所受的力。位能為一相對量,所以必須選定一參考位置做為基準。所謂力學能守恆,是一系統若不受外力作功(即無能量進出該系統,包含其內部的化學反應),其內部的動能與位能總合會維持不變。常見系統如理想上之彈簧系統、自由落體、單擺等。

阿特午機 Atwood’s machine

阿特午機 Atwood’s machine (也常譯作阿特午德機)
國立臺灣大學物理系林司牧

阿特午(George Atwood ,1745年10月-1807年7月11日)是英格蘭數學家、西洋棋棋手。他在 1784 年發表的《關於物體的直線運動和轉動》一文中提出一種用於測量加速度及驗證運動定律的機械,後世稱之為阿特午機。一個最簡單的理想阿特午機如圖一所示,其繩子視為無重量、無彈性,理想滑輪無重量且無摩擦力。

超距力

超距力 (force at a distance)
國立臺灣大學物理系林司牧

早期將兩物體相隔一空間而不需要接觸就產生的作用力歸納為超距力。因此電磁力、萬有引力為超距力,而壓力、浮力、摩擦力則稱為接觸力(即非超距力)。

即便是提出萬有引力概念的牛頓自己都深深被超距力的概念所困惑,因為他「實在難以想像沒有生命的物質能夠作用與影響其它物質,不需要非物質傳遞機制,不倚靠彼此接觸……對於物質,引力應該是內在的、固有的、基礎的,使得一個物體能夠作用於以真空相隔有限距離的另一個物體,不需要通過任何媒介傳遞作用力從一個物體到另一個物體,這對我來說是一個特大荒謬,我相信不會有任何在哲學方面具有足夠思考能力的人士會墜入其中。」(詳見後附參考資料)

伽利略的相對性原理

伽利略的相對性原理
國立臺灣大學應用物理博士班張智豪

伽利略的相對性原理是說明慣性參考座標與物理定律的原理。伽利略的相對性原理說所有物理定律不會因為慣性參考座標改變而改變。所謂慣性參考座標是指某一個人在空間上的某一點,而這個人以某個等速度 $$V$$ 在運動,然後我們以這個人的角度去觀察這個世界,那我們就是以這個人做為慣性參考座標去觀察這個世界。

物理定律是指所有物體必須遵守的定律,例如 $$F=ma, (GMm)/r^2=F$$, 作用力=反作用力 等等都是物體所必須遵守的物理定律,而我們以某個慣性參考座標去觀察這個世界的話, 我們會發現不管我們用哪個慣性參考座標去觀察這世界,這些定律的形式都還是會一樣的,不會因為換了個慣性參考座標,物理定律就有所改變。(以等速運動的座標才可以作為慣性參考座標 ,變速運動就不是慣性參考座標。)

定態軌道以及靜止軌道 (Stationary orbit)

定態軌道以及靜止軌道(Stationary orbit)
國立臺灣大學應用物理博士班張智豪

$$\bf{stationary~orbit}$$ 此英文名詞在衛星軌道力學中以及波耳的原子模型中指的是不同的兩件事,於前者中通常翻譯成靜止軌道,而在後者中則翻譯成定態軌道。

靜止軌道:

要談靜止軌道必須先講圓周運動與萬有引力。根據牛頓力學,當物體做非等向但等速的運動時, 必須要有力提供給它。例如等速圓周運動是等速但不等向的運動,所以必須有向心力提供給物體,物體才會做圓周運動。向心力的公式為

$$F=\displaystyle \frac{mv^2}{r}$$

其中 $$m$$ 為做圓周運動的粒子的質量,$$v$$ 為粒子做圓周運動時的速率(注意這裡的 $$v$$ 是純量而非向量),$$r$$ 則為圓周運動的半徑。

而萬有引力公式則為

$$F=\displaystyle \frac{GMm}{r^2}$$

其中 $$G$$ 為萬有引力常數,$$M$$、$$m$$ 分別為互相吸引的兩個物體的質量,$$r$$ 為兩個相互吸引的物體之間的距離,而 $$F$$ 則為兩個相互吸引的物體個別所受的力。

科氏力

科氏力 (Coriolis force)
國立臺灣大學物理所黃一玄

在旋轉座標系(rotating reference frame)中,科氏力是使得物體偏移其運動方向的力,它使得在旋轉座標系上的觀察者,看到路徑呈弧線彎曲。如同離心力(centrifugal force),科氏力是假想力的一種,但作用方向與離心力不同。離心力作用方向沿著圓周運動的半徑向外,科氏力是垂直於運動方向跟轉動軸方向(兩者外積之負方向)。

考慮在轉盤中心上跟著轉盤在轉動的人,她的手臂原來是向兩側垂直伸出的,之後手臂縮回身軀(或就如同芭蕾舞者的動作),此時人的轉速會加快。注意到如果只看身軀的部分,則身體的質量並沒有改變,但轉速變快,這代表身體的角動量增大了,故身體一定受到一力矩使之加速。此力矩一定是由往身軀縮回的雙臂來提供,故雙臂在縮回的過程中必然受到某個力的作用,而且此力必與懸臂移動方向垂直。這個力正是科氏力。

考慮在做圓周運動的轉盤(如圖一(a)),其中有 $$A$$、$$B$$ 兩點距離圓心距離分別是 $$r_A$$ 跟 $$r_B$$,速度分別是 $$v_A$$ 跟 $$v_B$$。現在有一人從 $$A$$ 點向 $$B$$ 快速擲出一球,球速度為 $$v$$。這顆球一開始除有向外(圖中向右)方向的速度 $$v$$ 以外,還有受到旋轉盤給的向北的速度 $$v_A=r_A\omega$$,而此時轉盤在 $$B$$ 點的速度為$$v_B=r_B\omega$$。由於 $$r_B>r_A$$,因此 $$v_B>v_A$$,也就是當球從 $$A$$ 到 $$B$$ 的時候,球往北的速度會低於 $$B$$ 點往北的速度,因此當球到達圓盤外緣時,球會落在 $$B$$ 點之後。

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圖一:在做圓周運動的轉盤。(a) 左;(b) 右 (作者提供)

速度

速度
國立臺灣大學物理研究所楊淵棨

速度:

速度為非常基本的物理量之一,其對於描述物體的運動狀態尤其重要。速度為一種描述運動狀態的向量,所謂的向量,包含方向和大小,同樣的,速度也包含了速度的方向和速度的大小。物體速度的方向其實就是物體位移的方向,而其大小,就是量度位移快慢的一種量。速度可以依據所描述的狀態分為兩種:平均速度跟瞬時速度。

平均速度:
所謂平均速度,是用來描述物體在一段時間內的運動,它只跟開始的位置,結束的位置,以及總時間有關係。更具體說,假設 $$\vec{S_b}$$ 為結束的位置,$$t_b$$ 為結束的時刻,$$\vec{S_a}$$ 為開始的位置,$$t_a$$ 為結束的時刻,則平均速度 $$\vec{V}=\frac{\Delta\vec{S}}{\Delta t}$$ ,其中 $$\Delta\vec{S}=\vec{S_b}-\vec{S_a}$$ 為位移,$$\Delta t=t_b-t_a$$ 為總時間。也就是說,我們把物體這一段時間內的運動,表示成一個平均的等速度運動。

彈性常數 Spring Constant

彈性常數 Spring Constant
國立臺灣大學物理研究所張翔恩

在中學甚至大學、研究所的物理課程中,老師似乎花了很多的時間與心力在教我們彈簧(Spring)的相關物理,為什麼呢?部分原因是由於彈簧是一個簡單的物體,但另一個很重要的原因則是:許多系統在些微偏離穩定平衡點時所受到的回復力常常可以利用彈簧來近似,因此我們可以用彈簧來模擬許多現象,幫助我們研究。

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