力可以傳遞嗎?

物理上,一般的說法是,力不能傳遞。力是不能傳遞的,此時傳遞往往理解為手把手交接轉移一個物體,即“原物”轉移

。比如擊鼓傳花是大家圍圈傳接一朵花,完璧歸趙是指價值連城的和氏璧傳來傳去並物歸原主,傳遞一個蘋果等。物理上規定集中力(即點力)有三要素,大小、方向、作用點。力如果換了一個位置,即使大小、方向都不變,但作用點變了,已經不是原來那個力了。超市整理時,工作人員推一大排購物車中的第一輛,推力就可以傳導到每一輛車並使其移動(圖1)。不考慮摩擦損耗,每輛購物車都各自受到了大小、方向相同的一個力,依次是F1、F2、F3、……Fi。有幾輛車就有幾個力,每個力的作用點都不同,此力非彼力。從這個意義上來說,力是不能傳遞的。但力的作用又是明明白白能從頭傳到尾的,一大排購物車不是都被推動了嗎?。

力可以傳遞嗎?

所以,力的作用、力的效果是可以通過物體傳來傳去的。甚至不通過具體物體只通過虛無縹緲的“場”,力的作用效果也可以傳來傳去,比如引力場。另外,力的效果也是可以傳遞、疊加的。比如加速度F=ma、速度v、動量mv,甚至動能1/2mv^2、勢能等等,也都可以在物體間傳導。更廣義的說法叫轉移、轉換。

關於力的傳導,最能說明問題的是牛頓擺(圖2)。牛頓擺可近似看做完全彈性碰撞。在理想情況下,完全彈性碰撞的物理過程滿足動量守恆和能量守恆。如果兩個碰撞小球的質量相等,聯立動量守恆和能量守恆方程時可解得:兩個小球碰撞後交換速度。v1=v2=v3=v4=v5。五個球的變化:圖示中最左邊的球得到動量並通過碰撞傳遞到右側並排懸掛的球上,動量mvi在四個球中向右傳遞。當最右面的球無法將動量繼續傳遞的時候,向右被彈出。反過來原理也是一樣。

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從微觀本質上看,力在物體內部傳導是通過電磁力---原子位移離開平衡位置---電磁力交替發生來進行的。其中電磁力是光速,而原子位移離開平衡位置的運動卻要慢得多,與音速差不多。從宏觀上看,力從頭到尾的傳導似乎都是同時完成的(圖3)。

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球友更關心的是力在人體中的傳導。比如拔河(圖4)、舉重。腳下的受力效果是可以通過人體傳導到手上的,反之亦然。人體作為一個整體,其在局部受到的外力都能通過骨槓桿力學鏈將產生的運動和受力效果加上自身的內力疊加、累積、放大、傳導至全身各處。比如手推重物,受力能傳導到腳下;腳蹬地面,受力也能傳導到手上。

力可以傳遞嗎?

打乒乓球時,手握拍,中間有一層手掌肌肉和皮膚的緩衝墊,屬半柔性連接。握得越緊,越接近剛性連接,能傳遞的動量越多。握得越松,越接近柔性連接,能傳遞的動量越少。握緊握松對擊球質量影響很大。同一位球員多次擊球,握拍鬆緊都會有變化(圖5)。

力可以傳遞嗎?

另外,人體不是剛體,人體各環節腕肘肩脊椎髖膝踝,每個關節腔都有軟組織緩衝、液體潤滑,骨骼間還會產生一定程度的滑移,所以環節間力的傳導每一步都存在滯後現象。一般認為,全身發力傳導到位一般需要300到400毫秒。另外,人體運動都會發熱、振動等等,能量損耗都是不可避免的。雖然人體中力的傳導要比剛體中要慢一些,也會打一些折扣。但是,擊球碰撞力、蹬地衝擊力、地面支反力能在人體中全程傳導,這一點是確定無疑的。

小結:力本身是不能傳遞的,但力的作用、力的效果卻都是可以傳遞的。


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