牛顿第三定律错了吗?

牛顿第三定律错了吗?
牛顿第三定律错了吗?

牛顿第三定律错了吗?
载于《发明与革新》2000年11期
贵刊２０００年第７期刊登的《鱼尾巴挑战牛顿第三定律》一文（以下简称《鱼尾》）,对牛顿第三定律根本没搞懂,所以才得出一些似是而非的错误结论.
《鱼尾》认为,当作用点滑动时,反作用力小于作用力.《鱼尾》举例说：汽车在轮子打滑时所获得的推力比不打滑时减小,是因为打滑时阻力（即反作用力）减小.用该例说明在同样的作用力下所得到的反作用力大小不一样.这是明显错误的,实际上在这两种情况下轮子给地面的作用力是不一样大的,虽然汽车发动机同样在转,但在打滑时轮子发生空转,阻力减小,“有劲使不上”,所以此时发动机输出的力量减少（因轮子转速增加,所以功率有可能不变）,为搞清楚这种现象,我们可以举个极端打滑的例子,即摩擦力为零（轮子与地面极端润滑,或轮子与地面根本没接触）,此时轮子对地面毫无作用力可言（也就是说轮子完全“使不上劲”,只是空转,作用力为零）,当然反作用力（或曰阻力）也同样为零.从摩擦力为零的情况逐步增加摩擦力（仍存在打滑现象）,轮子对地面的作用力也会逐步增大,同样反作用力也逐步增大.直到完全不打滑,轮子对地面的作用力才能达到最大,此时反作用力也同样到最大.所以不能认为无论在什么情况下,轮子对地面的作用力始终是一样大的.
另外,《鱼尾》说“学生打人而不打墙壁,是因为打人比打墙所受到的反作用力更小”,用来说明反作用力可以小于作用力,这也是明显错误的.这是个碰撞问题,所以应该从动量角度考虑.在打人和打墙时如果我们以同样的力和速度出拳,则拳头获得的动量（速度与质量的乘积）是相同的,但被打物（包括被打部位）的坚硬程度及质量不同.人打墙时,墙非常坚硬,质量也比人大得多,所以碰撞的作用时间很短,根据动量定理,动量的改变等于冲量,而冲量等于作用力与时间的乘积,所以作用力就会很大,自然反作用力也大,从而可能使人的拳头受伤.在打人时,打的是被打者的软弱部位,比如脸蛋,胸腹等,而且被打者的质量又小,既会发生位移,又会发生比较大的形变,所以作用时间长,作用力当然小,反作用力也小,因此拳头不会受伤.
《鱼尾》的错误在于,认为胳臂使出同样大的力量,物体所受到的作用力必然一样大,把胳臂推动拳头前进的力与拳头作用在物体上的力混为一谈了.其实拳头作用在物体上的力随作用时间长短不同作用力并不一样大.这就像一个同样高度掉下来的鸡蛋,掉在水泥地上和掉在棉被上作用力是不一样大的.这类碰撞问题与用恒力去推一个物体的情况是不一样的.假如我们用同样大的恒力推墙壁和推人（假设人不发生位移）,则反作用力肯定是相同的.
《鱼尾》说,物理老师遇到大个子同学打小个子同学的情况,往往无法再用力学原理解释.从上面的分析可知,这种情况完全可以用力学原理解释清楚.无法解释是因为物理老师自己对物理还不太懂.
《鱼尾》还认为,在设计轮船时,在同样的作用力下,增大螺旋桨半径,可以增加反作用力,获得更大的推力,从而提高推进效率.这说明作者对力与功率之间的关系没搞清.增加了螺旋桨半径,阻力自然增加,但此时桨对水的作用力也同样增加（因为作用力与反作用力相等）,在输出功率（力与速度的乘积）相同的情况下,桨的转速自然要慢下来.这是很好理解的,桨叶大了,肯定转起来费劲,转不了原来那么快.增加力而减低转速,推进效率并没有提高.而且桨叶半径增大使桨叶受力也增大,这时就要考虑桨叶的强度能否承受得了.因此轮船设计必须要综合考虑,在保证推进功率的前提下,使桨叶材料获得最佳强度价格比,因此桨叶不可能做得无限大.《鱼尾》的错误就在于认为只要轮船的输出功率不变,则桨叶对水的作用力也就不变,把功率和力混为一谈了.以为可以在作用力不变的情况下改变反作用力.
根据牛顿第三定律,在一对相互作用的力中,任何一个都可以叫做作用力,另一个力就是反作用力.反过来称呼也一样.而《鱼尾》在全文各例中都把主动施力的一方规定为作用力,被动受力的一方叫做反作用力,只有这样他才有可能得出作用力大于反作用力的结论,如果我们反过来称呼,这个结论不就无法成立了吗?这说明《鱼尾》对牛顿第三定律根本没理解.比如人推车,完全可以把车施加于人的力叫做作用力,此时人的推力就是反作用力.这里没有什么主动被动的区别.
《鱼尾》又提出：爱因斯坦就修正了牛顿力学,可见牛顿理论并非神圣不可动摇.言下之意,《鱼尾》也同样可以修正牛顿第三定律.显然这是对相对论与牛顿力学之间的关系没弄懂,须知相对论并非推翻了牛顿力学,只是发现了牛顿力学的局限性,指出了它的适用范围为低速宏观物理现象,在高速时（可以与光速比拟的高速）相对论起作用,在微观时（分子、原子、基本粒子级别的微观）,量子力学起作用.也就是说,在低速宏观情况下（我们日常生活所接触到的现象全属于这种情况）,牛顿力学仍然完全正确,爱因斯坦丝毫没有推翻牛顿力学的意思,即使牛顿里学中的任何一条定律都没有推翻.
总之,从以上分析可以看出,《鱼尾》对力学中的作用力、反作用力、碰撞、动量、功率等诸多问题都没搞清楚,所以得出错误结论.附:鱼尾巴挑战牛顿第三定律
（原载《发明与革新》2000年第7期）
一、牛顿第三定律的问题何在
许多物理教师都知道,中学生在学了牛顿第三定律之后总是喜欢开一个同样的玩笑：小个子Ａ状告大个子Ｂ打他,但是大个子Ｂ却拒不认错,反而振振有词地说：“根据牛顿第三定律Ｆ反＝－Ｆ,我打他等于他打我.”不知牛顿本人遇到这种情况会发表什么高论,反正老师无法再用力学原理作出合理的解释,只能批评Ｂ学生调皮捣蛋,乱用牛顿定律欺负小同学.由此可见,牛顿第三定律确实存在一定的问题,不能对两个物体之间相互作用的各种情况作出圆满的解释.
大家知道鱼是靠摆动尾巴获得反作用力来推动身体前行的,观察那些高速运动的鱼类,可以发现它们的一个共同特点就是都有一条大尾巴,而那些低速运动的鱼类一般尾巴较小.进行受力分析可知：大尾巴摆动时所受的阻力较大,小尾巴摆动时所受的阻力较小.由此可见,反作用力的大小与所受阻力的大小有关.
如果把黄鳝和泥鳅作一个比较,我们知道黄鳝的力大钻泥能力强,泥鳅的力小但游水能力强.再来看它们的尾巴：黄鳝是细而尖,泥鳅是宽而大.由此可见,反作用力与作用力的大小并不一定完全相等,而是与所受的阻力密切相关.
如果说对鱼尾巴的分析还不能给牛顿第三定律作出一个明确的结论,那么再来分析一下桨和篙的作用就会真相大白.在浅水中用篙撑船最有力,表明Ｆ反＝－Ｆ,在深水里用篙撑船就无力,表明Ｆ反≠－Ｆ（或Ｆ反＜－Ｆ＝.但是在深水中用桨划船却有力,这是为什么呢?因为用桨划船时受到了很大的阻力,而用篙撑船时几乎没有受到阻力.这表明Ｆ反＝Ｆ阻.归纳上述例子可以得出如下结论：Ｆ反＝Ｆ阻≤－Ｆ.
推而广之,上述结论仍然成立.例如人在沙滩上行走比在公路上更费力,是因为沙滩对脚的阻力比公路更小；汽车在轮子打滑时所获得的推力比不打滑时更小,是因为轮子在打滑时所受的阻力更小；前面所举Ｂ学生打人而不打墙壁,是因为打人比打墙壁所受的反作用力更小等等.
也许有人会问：当Ｆ反＜－Ｆ时,多余的作用力到哪里去了?根据牛顿第二定律Ｆ＝ma,多余的力使被作用的物体产生了加速度.例如汽车轮子在打滑时比不打滑时转得更快；自由下落物体的速度不断加快；两个人推车比一个人推车时跑得更快等等.
我们查阅了现行的中学物理教材和各种理科词典,其中牛顿第三定律的叙述都没有完整地表达作用力与反作用力之间的正确关系.因而我们这里先把作用力与反作用力定律修正如下,供物理学界的同仁们探讨时参考,以求收到抛砖引玉之功效.
在Ａ物体给Ｂ物体一个作用力Ｆ的同时,Ｂ物体也给Ａ物体一个反作用力.当Ｂ物体静止（作用点固定）时Ｆ反＝－Ｆ；当Ｂ物体运动（或作用点滑动时）Ｆ反＜－Ｆ,这时反作用力等于Ｂ物体在Ｆ的作用下运动所受到的阻力Ｆ阻,即Ｆ反＝Ｆ阻.综合上述两种状况得：Ｆ反＝Ｆ阻≤－Ｆ.
二、Ｆ反＝Ｆ阻≤－Ｆ的实用价值
牛顿是科学史上的一颗巨星,要修正他的定律就如同当年修正“地心说”一样难以被世人所接受.但是,牛顿再伟大也还是人而不是神,他的理论也并非神圣不可动摇.例如爱因斯坦就修正了他的时空观而创立了相对论.历史在前进,科学也必然要发展,我们修正牛顿第三定律绝不是为了玩文字游戏,而是来自客观现实的需要.我们在研究喷水式高速轮船时,由鱼尾巴的功能得到启示,然后推导得出Ｆ反＝Ｆ阻≤－Ｆ.其实用价值首先就体现在轮船的制造方面.
就拿现行的螺旋桨轮船来说,由于受Ｆ反＝－Ｆ理论的影响,在设计轮船时只注重增加发动机的马力,而忽视了增加螺旋桨的半径；在设计螺旋桨时只注重提高螺旋桨的转速,而忽视了增加螺旋桨的纵向阻力.因此,当螺旋桨高速旋转时经常产生空泡,推进效率很差,轮船的航速自然也就很低.
根据Ｆ反＝Ｆ阻≤－Ｆ,在设计轮船时就要尽量增加螺旋桨的半径,或者是改变轮船的结构造型来增加螺旋桨的个数；在设计螺旋桨时就要尽量增加其旋转时所受的纵向阻力,从而获得更大的反作用力来提高推进效率.又如在各种飞机中要数喷气式飞机的速度最快,但是喷水式轮船的推进效率却很低.分析其原因发现,喷水式轮船在Ｆ反＝－Ｆ理论的指导下,只注重提高喷水的速度,而忽视增加过水管道的横切面积.
修正牛顿第三定律不仅只是一个物理学方面的理论问题,更重要的是能够帮助我们解决很多生产建设中的实际问题.例如在Ｆ反＝Ｆ阻≤－Ｆ的理论指导下,我们发明的喷水式高速轮船和履带轮式沙漠车等等.此外,Ｆ反＝Ｆ阻≤－Ｆ还能广泛地用于指导飞机、火箭和车辆等运动机械的制造设计,对于提高它们的推进效率都会大有帮助.
　　把Ｆ反＝Ｆ阻≤－Ｆ的理论指导意义归纳起来,主要集中地表现在工业生产中节能效益方面.在当今世界这个能源逐渐紧缺的时代,它将必然会逐渐显示出自己宝贵的实用价值.