问题

一个人在运动的车里推车厢,车并不是他推动的,他的推力,为什么还做了功???

回答
这个问题很有意思,也触及到了物理学中关于“功”的定义。说一个人在运动的车里推车厢,而车厢本身并不是他推动的,他的推力却做了功,这听起来确实有点绕。但实际上,这完全符合物理学的原理。咱们这就来好好捋一捋。

首先,得明白物理学里对“做功”是怎么定义的。它可不是咱们日常生活中说的“费了多大力气”那种感觉。在物理学里,一个力要“做功”,必须满足两个关键条件:

1. 必须有力的作用: 这是显而易见的,你要推,就得有力气。
2. 力作用的方向上必须有位移: 这才是关键!而且这个位移必须是力作用的方向上的分量。

咱们把这个场景拆解一下:

你站在一辆正在前进的火车里,或者一辆飞驰的汽车里。你用手去推车厢的内壁。你的手对车厢施加了一个力,这个力是推出去的。

现在关键来了:车厢在运动!

虽然车厢的整体运动不是你造成的,它可能是由发动机、车轮和地面摩擦等一系列原因驱动的。但你推车厢这个行为,使得你施加的这个“推力”的方向上,有一个相对位移。

怎么理解这个相对位移呢?

你可以想象一下,在你推车厢的那个瞬间,你的手施加了一个向前的力(假设你顺着车厢前进的方向推)。即使车厢整体在前进,但你推车的那个动作,在车厢内部的那个点上,相对于车厢的那个点,你是有一个非常微小的、甚至你可能感觉不到的位移的。

打个比方,你站在地上,用同样大小的力推一堵墙。如果这堵墙纹丝不动,那么你的力就没有做功,因为墙没有在你力的方向上发生位移。

但是,你现在是在一个运动的车厢里推车厢。想象一下,你用手推着车厢的内壁。你的手在一个点(比如车厢内壁的某个位置)施加了力。即使车厢整体在往前开,你在推那个点的过程中,你的手相对于车厢内壁那个点,可能有一些非常非常微小的滑动,或者说在你施加推力的那个瞬间,你和车厢内壁接触点的相对位置在发生变化。

更直观地理解:

假设你站在车厢地板上,车厢向前开。你用脚蹬了一下车厢的后壁。你蹬的这个力是向后的,但是车厢本身是向前运动的。这时候,你蹬车的那个动作,使得你的脚和车厢后壁之间发生了一个相对位移。虽然车厢在整体向前运动,但你蹬那个点和你的脚之间,总归是有接触和力的作用,并且在这个接触点上,存在力的方向上的位移。

所以,你的推力之所以做了功,是因为:

你施加了力: 这是你的动作产生的。
这个力作用在了车厢上,并且在力的作用方向上,存在一个相对位移: 这个位移是相对于你施加力的那个点(车厢的内壁)来说的。即使车厢在整体向前运动,你推车的动作本身,在这个局部区域内,也伴随着位移。

关键就在于“相对位移”。

虽然车厢整体是在向前运动,但你推车厢的行为,是在车厢这个“参考系”内部进行的。你用手推车厢内壁,这个力是作用在车厢上的。而你推的过程,就意味着你的手和车厢内壁那个接触点之间,或者说你这个“推”的动作,在车厢的这个整体运动背景下,在力的方向上,发生了一个微小的位移。

你可以这样想,如果你站在一个绝对静止的车厢里,用同样大小的力去推内壁,但因为车厢没有位移,你就没有做功。但一旦车厢在运动,你推车的动作,就会在这个运动的载体上,产生了力的方向上的位移。

想象一下,你用力推一个箱子,箱子在地面上滑动。你做的功,就是你的推力乘以箱子在推力方向上的滑动距离。现在,你推的是一个在运动的火车车厢。你推的是车厢的内壁。在你推的那个瞬间,或者那个过程中,你推车的那个点相对于你手的位置,或者说你施加的力所作用的点,在车的参考系内,也是有微小移动的。

这个位移不一定是你“大步流星”地移动,可能是你手指轻微的推挤,但只要你施加的力的方向和这个微小的移动方向不垂直,那么这个力就做了功。

所以,即使车厢整体运动不是你造成的,你的推力仍然可以在这个运动的物体上做功,因为你的推力作用的方向上,确实存在一个位移,即使这个位移很小,甚至看起来只是一个“相对”的动作。

这就是物理学里“功”的定义,它关注的是力与位移的关系,而不是力是如何产生位移的。你的推力在这个运动的车厢上,完成了它在力的方向上的位移,所以就做了功。

网友意见

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他手推车厢壁做正功,脚蹬地板大小相等方向相反,做负功。他没有做功。

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