物體抵抗變化

牛頓第一定律

靜止的物體保持靜止，運動的物體保持以相同速度和相同方向運動——除非受到不平衡的力作用。

這個性質叫做慣性。宇宙中的一切都抵抗改變其運動的情況。

桌子上的一本書會永遠放在那裡，除非有東西推它。在無摩擦冰面上滑動的冰球會永遠以直線滑行，除非有東西阻止它。

這在當時是革命性的。在牛頓之前，人們假設物體自然會減速。牛頓意識到減速不是自然的——它只發生在有摩擦力和空氣阻力等力作用的時候。

日常生活中的慣性

你每天都在經歷慣性

安全帶之所以存在是因為慣性。當汽車突然停止時，你不會隨著汽車停止——你的身體繼續以汽車原來的速度向前移動。安全帶是阻止你的不平衡力。

抽桌布魔術之所以有效是因為慣性。盤子處於靜止狀態並抵抗被移動。如果你足夠快地拉桌布，摩擦力沒有足夠的時間加速盤子，它們保持原位。

地面上的足球完全靜止，直到有人踢它。它沒有運動的慾望，沒有運動的傾向。它完全漠不關心。

力等於質量乘以加速度

牛頓第二定律

力等於質量乘以加速度：F = ma

這是所有物理學中最有用的方程。它同時告訴你三件事：

1. 你對物體施加的力越大，它加速（加速、減速或改變方向）越多。

2. 物體的質量越大，相同力下它的加速度越小。

3. 如果你知道三個值中的任意兩個——力、質量或加速度——你可以計算第三個。

質量是物體所含物質的數量。單位是公斤。

加速度是速度變化的速率。單位是米每秒平方（m/s²）。

力的單位是牛頓（N）——是的，這個單位以他的名字命名。

應用 F = ma

推購物車

想像這樣一個場景：你在雜貨店裡。你推著一個空的購物車，它容易地滾動。然後你在車裡裝滿重的雜貨，用相同的力推它。

每個作用都有等大的相反反作用

牛頓第三定律

對於每個作用，都有一個等大的相反反作用。

這意味著力總是成對出現的。你無法在沒有被推回的情況下進行推動。

當你走路時，你的腳向後推地面，地面向前推你。那個向前的推力就是移動你的力。

當火箭發射時，它不是推地面或空氣。它以巨大的速度向下噴出熱氣，氣體以等大的力向上推火箭。

當你游泳時，你的手向後推水，水向前推你。

力的大小總是相等，方向總是相反。總是如此。

在地球上跳躍

一個令人困惑的問題

當你跳躍時，你的腿向下推地球。根據牛頓第三定律，地球向上推你，力量相等——這就是把你拋向空中的力。

但這裡是奇怪的地方：如果你向下推地球，地球向上推你，那麼力是相等的。你飛向上方。所以地球應該向下移動。

萬有引力

牛頓萬有引力定律

牛頓意識到使蘋果從樹上掉下來的同一股力是使月球環繞地球的力。

每個有質量的物體都吸引每個其他有質量的物體。 吸引力的強度取決於兩件事：

1. 質量：更大質量的物體拉力更強。

2. 距離：距離較遠的物體拉力較弱。力隨距離的平方而減少——距離加倍意味著拉力只有四分之一。

重量與質量

質量是你體內物質的數量。無論你在哪裡，它都不會改變。

重量是重力對你質量的拉力。它根據你所在的地方而改變。

在月球上，你有相同的質量但只有六分之一的重量，因為月球的重力更弱。

為什麼月球不會掉下來？

它在不斷掉下來。但它同時也在橫向移動得非常快，以至於當它掉下一點點時，地球的表面已經在它下方彎曲了。它不斷掉下去並不斷躲過地面。這就是軌道：不斷地掉下去並永遠躲過地面。

無重力但不是無引力

空間站的謎題

國際空間站上的宇航員漂浮在周圍，好像他們是無重力的。你可能看過視頻——他們翻滾，水形成漂浮的球體，沒有東西掉下來。

這裡是令人驚訝的事實：國際空間站環繞地球大約400公里高的地方。在那個高度，重力仍然大約是表面重力強度的90%。

現實世界中的牛頓定律

工程和運動中的力

地球上的每個結構、車輛和運動都遵守牛頓定律。

橋樑必須平衡所有力以保持靜止（第一定律）。工程師計算交通的重量（第二定律）並確保每個支撑以等大的力推回（第三定律）。

火箭純粹通過第三定律工作——向一個方向拋出質量以在另一個方向加速。在太空中沒有空氣可以推動。廢氣向下，火箭向上。

運動是應用物理。棒球棒將力傳遞給球（第二定律）。短跑選手向起始塊向後推，塊向他們向前推（第三定律）。冰球在冰上滑行，摩擦力最小，演示第一定律。

每當工程師設計汽車、橋樑或太空飛船時，他們都在求解牛頓方程。

你最喜愛的運動中的物理

輪到你了

現在應用你學到的東西。