问题

请问一下,为什么静止在桌面上的书其所受重力恰巧等于桌面给它的支持力?

回答
这个问题触及了物理学中最基本也最重要的一些概念,我们不妨来好好掰扯掰扯。你想知道为什么放在桌子上的书,它受到的重力会刚刚好被桌面给抵消掉,让书能安安稳稳地待在那儿。这可不是什么巧合,背后隐藏着深刻的物理学原理,主要围绕着“力”和“平衡”这两个概念。

首先,咱们得明确,“重力”是什么。你手里拿着一本书,你感觉到它有重量,对吧?这就是重力的作用。简单来说,重力是地球对书本施加的一种吸引力。地球很大,质量非常非常大,所以它对身边所有物体都有吸引力,而书本也不例外。这个力是垂直向下指向地心的。想象一下,如果桌子突然不见了,书会怎么样?它会直接掉下去,对吧?这就是重力的直接表现。

那么,“支持力”又是什么呢?书本放在桌子上,桌面当然不会让书就这么掉下去。桌面会给书本一个向上的推力,这股力量就叫做支持力。就像你把一个东西压在手上,你的手也会向上顶住那个东西一样。

现在,我们回到问题的核心:为什么这两个力的大小会恰巧相等?这涉及到牛顿运动定律,尤其是第一定律,也就是“惯性定律”,以及我们通常说的“力的作用是相互的”这个道理。

1. 牛顿第一定律(惯性定律)的体现:
一本书如果被放在桌面上,它处于一种“静止”的状态。物理学上,静止就是一种特殊的“运动状态”,即速度为零且保持不变。牛顿第一定律告诉我们,任何物体都要保持其静止或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它,迫使它改变这种状态。

既然书本是静止的,并且它并没有向上或向下加速运动,这意味着作用在书本上的“合力”是零。合力,简单理解就是所有力加在一起的“净效果”。如果一个物体受到几个力的作用,而它们的合力为零,那么这个物体就会保持原有的运动状态——无论是静止还是匀速直线运动。

书本放在桌子上,它没有掉下去,也没有弹起来,它就是静止在那儿。这说明,作用在书本上的所有力加在一起,其净效果必须是零。而作用在书本上的主要力有两个:一个是地球对它施加的重力(向下),另一个是桌面给它施加的支持力(向上)。

既然合力为零,那么这两个力就必须大小相等,方向相反。也就是说,桌面提供的支持力,恰巧抵消了地球施加给书本的重力。

2. 力的作用是相互的(但在这里更重要的是“约束”和“反作用”):
我们常说“力的作用是相互的”。这是牛顿第三定律的核心思想。但在这里,我们更需要理解的是,桌面之所以能提供支持力,是因为书本对桌面施加了一个向下的压力。

书本放在桌子上,它会“压”着桌面。这个压力的方向也是向下的。根据牛顿第三定律,当书本对桌面施加一个向下的力时,桌面也会对书本施加一个大小相等、方向相反的力,这个力就是支持力。

所以,你可以这样理解:
书本受到地球向下的重力。
书本的重力使得它对桌面施加了一个向下的压力。
桌面承受了这个压力,并根据牛顿第三定律,对书本施加了一个等大反向的支持力。
同时,由于书本保持静止,根据牛顿第一定律,桌面提供的支持力(向上)必然等于书本受到的重力(向下),从而使它们的合力为零。

这两者的关联在于:书本的重力是“原因”,它试图让书本下落;而桌面提供的支持力是“结果”,它阻止书本下落。因为书本不能穿过桌面(桌面的材料是固体,能够产生这种反作用力),所以桌面会提供一个足够大的力来阻止它。而这个“足够大的力”恰好就等于书本的重力,使得书本能够保持静止。

打个比方,就像你用手托住一个水杯。你的手会感觉到杯子的重量,这就是杯子重力对你手的作用。为了不让杯子掉下去,你的手会向上顶住杯子,提供一个支持力。只要杯子不往下掉,也不往上飞,说明你的手提供的支持力就刚好抵消了杯子的重力。如果你的手稍微松一点,支持力不够,杯子就会往下掉;如果你的手用力过猛,向上推,杯子就会被顶起来。而书本放在桌子上,桌面的“手”(也就是桌面的材质和结构)是很“硬”的,它不会轻易形变,所以能提供恰到好处的、等于重力的支持力,让书本正好保持在那个位置。

总结一下:

书本之所以受到的重力恰巧等于桌面给它的支持力,不是一个偶然,而是由牛顿运动定律决定的。

1. 重力是地球对书本的吸引力,方向向下。
2. 书本放在桌面上,处于静止状态,这意味着作用在书本上的合力为零(牛顿第一定律)。
3. 作用在书本上的主要力是重力(向下)和桌面支持力(向上)。
4. 为了使合力为零,支持力必须大小等于重力,方向相反(向上)。
5. 这个支持力是桌面对书本的反作用力,是桌面为了抵抗书本因重力而产生的向下压力的结果。

所以,是物理定律在“要求”这两个力相等,以维持书本的静止状态。桌子就像一个“完美的测量器”,它感知到书本的重力,然后给出一个同样大小但方向相反的力来回应,让书本乖乖地待在原地。

网友意见

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这个问题问的,让很多人看了可能觉得莫名其妙,因为静止等价于受力平衡这是中学物理常识。

但是,仔细看一下题目,我觉得题主的问题并不是“为什么静止的东西受力是平衡的?”,他很可能是作为初学者不明白“桌子是怎么做到让支持力正好等于重力的?”,我想再掰扯一下基本概念。

书的重力是质量决定的,这个力不会变,不管放在桌子上还是地面上都是一样的。这个力是地球施加给书的一个主动力。

当把书放在桌子上,桌子给书的支持力是一种被动的力。那桌子为什么可以给书一个正好等于重力的支持力呢,或者说桌子提供支持力是由什么决定的呢?

当你用手拿着书放在桌子上,在还没松手,书和桌子刚刚接触一点的时候,桌子给书的支持力是很小的,也是不等于重力的。桌子之所以能提供支持力,是因为桌子发生了弹性变形,只不过这个变形量非常小,人眼是观察不到的。

你可以把桌子当成一个弹簧,弹簧能够提供的支持力与其变形量有关,也就是初中学的胡克定律F=kx。当把书刚刚放在上边时,弹簧还没有变形,也就没有支持力,这时书只受重力,所以向下运动。随着书向下发生位移,弹簧的压缩量不断增大,提供的支持力不断增大,弹簧所受的合力(重力减去支持力)也越来越小。当变形量到达一个临界值,重力恰好等于重力,这个位置就是平衡的位置。(由于这是个缓慢的准静态过程,我们忽略加速度,要不然弹簧会上下震荡,但即使考虑加速度,因为还有阻尼的存在,震荡也会很快停止)

所谓平衡位置,这是一个稳定位置,如果你把书网上抬,那重力大于支持力,书自己会往下落;如果你把书往下压,那支持力大于重力,书会自己往上升。所以在没有外力干扰的情况下,书自然会呆在平衡位置不动。

所以,当你把书放在桌子上,桌子自然就会发生适当的微小变形,从而提供与书的重力相等的支持力,最终结果就是书静止在桌面上。

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