力的传递有速度吗？

力的传递确实有速度，但我们通常理解的“速度”在力的传递中，并不是指一个物体在空间中的移动速度。理解力的传递速度，需要从多个角度深入探讨：

1. 力的本质：相互作用

首先，我们要明确力的本质。力不是一个独立存在的实体，而是物体之间相互作用的表现。当一个物体对另一个物体施加一个力时，这种相互作用会通过某种媒介在两者之间传播。

2. 力的传递方式与速度的关联

力的传递方式不同，其速度也不同：

接触力（例如推、拉、摩擦力）：
微观层面：当你推一个物体时，你的手指与物体表面原子之间发生了相互作用。这种相互作用是基于电磁力的，通过原子间的电子云的排斥力传递。
传递媒介：在宏观物体中，这种作用力最终通过构成物体的原子和分子之间的化学键、晶格振动等传递。
速度：在固体中，力的传递速度通常与声速相当。当你在桌子的一端敲击时，另一端会感受到震动，这个震动的传播速度就是力的传递速度。声速在不同的介质中是不同的，在固体中通常比在液体和气体中快。
举例：如果你用力拉动一根长绳子的一端，另一端的人会感受到拉力。这个“感受到拉力”的过程并不是瞬间完成的，而是随着绳子内部分子间的相互作用力的传递而传播的。

非接触力（例如引力、电磁力）：
传递媒介：非接触力通常被认为是通过场来传递的。例如，引力通过引力场传递，电磁力通过电磁场传递。
速度：根据爱因斯坦的相对论，力的传递速度不能超过光速。对于电磁力（如电荷之间的吸引或排斥力），其传递速度就是光速。引力场的改变（例如太阳突然消失）其影响也需要时间才能到达地球，这个时间取决于引力场的传播速度，也同样是光速。
举例：地球绕着太阳转是因为太阳的引力。如果太阳瞬间消失，地球并不会立刻飞出去，而是要等到太阳引力场的变化以光速传播到地球时，地球才会感受到这种变化。同样，我们看到天上的星星，实际上看到的是它们过去的光（以及它们引力场的影响）。

3. 力的传递速度不是“物体移动速度”的简单叠加

需要强调的是，力的传递速度和我们日常理解的“速度”有一个关键区别：

物体的移动速度：指的是一个物体在空间中从一个位置移动到另一个位置的速度。
力的传递速度：指的是一个作用在物体上的力，或者物体之间的相互作用，是如何在相互作用的物体内部或通过媒介传播其效应的速度。

打个比方：
想象你有一个很长的金属杆，一端连接着一个锤子，另一端连接着一个响板。你用锤子敲击金属杆的一端。

锤子的速度：是你挥动手臂的速度，这是物体移动的速度。
力的传递速度：是锤子施加在金属杆上的力，是如何通过金属杆的原子振动，从你敲击的这一端传播到另一端，最终敲响响板的速度。这个速度比锤子的移动速度要慢得多，而且取决于金属杆的材质。

4. 什么是力的传递？

力的传递是一个信息或影响在物体之间或物体内部传播的过程。这种传播会引起物体的状态（例如形变、运动状态）发生改变。

内部传递（例如接触力）：当一个粒子（原子或分子）受到外力作用时，它会通过与相邻粒子的相互作用，将这种力的效应传递下去。这就像多米诺骨牌效应，一个骨牌推倒另一个，影响逐级传递。
场传递（例如非接触力）：物体通过改变其周围的空间（形成场），将力的信息传递给其他物体。例如，带电粒子会产生电场，其他带电粒子在电场中会受到力的作用。

5. 总结力的传递速度的关键点

力的传递速度不是无限快的。
对于宏观物体的接触力，传递速度通常与声速相当，取决于介质的性质。
对于非接触力（电磁力和引力），传递速度被认为是光速。
力的传递速度是指力的效应（信息）在相互作用之间传播的速度，而不是物体本身的移动速度。
力的传递是物体相互作用的本质体现，是信息在物质世界中传播的一种方式。

理解力的传递速度，有助于我们更深刻地认识物理世界的运行规律，例如，为什么我们感受不到宇宙中天体位置瞬息万变的改变，以及为什么我们看到的星星是它们过去的样子。

网友意见

一句话答案：一根 5000 米长的钢筋，一个变形金刚从这一头推了一下，另一头要 1 秒钟之后才会移动。

比如擎天柱拿着这根 5000 米长的钢筋去捅威震天，擎天柱的手移动 1 秒钟之后，钢筋的另一头才会向前移动。再比如周芷若拿着 1 米长的倚天剑去捅张无忌，周芷若的手移动 0.0002 秒之后，倚天剑的剑尖才会向前移动。只是因为这 0.0002秒的时间实在太短，只有高速摄影机才能捕捉，所以肉眼看上去，周芷若的手和倚天剑的剑尖像是同时开始移动的。

这其实还是属于低速低能量的问题，用不着思维实验，也用不着粒子物理。1807年托马斯·杨就已经在论文里提到 stress-wave propagation 的概念了。

想测试力的传播速度也用不着千万公里长的物体，一般来说，十几米长的已经绰绰有余了。

（图片来源：https://engineering.purdue.edu/people/weinong.w.chen.1/equipment.html）

就像照片里这样，如果我整一个很长的圆棒，与支座之间的摩擦很小，圆棒上每隔一定距离贴一个应变计。然后我用大锤猛敲圆棒的一端，请问这三个应变计的读数会同时变化吗？

这个实验一点儿也不复杂，砸一下锤子，记录三个应变计的读数就行了。实验做出来，三个应变计的读数是这样的：

横坐标是时间，纵坐标是应变计的读数。很明显，它们不是同步变化的，而是依次变化。两个应变计读数发生变化之间的时间，就是「力」或者叫「应力波」从第一个应变计所在的位置传播到第二个应变计所在的位置所用的时间。

当然，我画的是一个非常理想化的模式图，实际的实验结果其实是这样的：

（图片来源：B. Song, C.J. Syn, C.L. Grupido, W. Chen, W.-Y. Lu, A Long Split Hopkinson Pressure Bar (LSHPB) for Intermediate-rate Characterization of Soft Materials, Experimental Mechanics (2008) 48:809–815）

应力波的传播速度跟很多因素有关，最最理想化的估算，应力波的速度等于杨氏弹性模量与密度的比值再开根号。比如普通钢材的弹性模量大约为 200 GPa，密度大约为每立方米7.8吨，所以

也就是说，力在钢材中的传播速度大约为5000米每秒。我们上面提到的实验里，两个应变计之间的距离大约是3米，所以3米除以5000米每秒就等于0.6毫秒，也就是实验结果里相邻的两个应变计信号之间的时间。

换言之，如果这根圆棒有 5000 米长，那么从大锤子敲上去开始计时，到另一端的应变计有读数为止，时间差不多刚好 1 秒钟。

有没有觉得5000米每秒这个数值很眼熟？其实小学自然课就已经学过了。如果想早一点知道火车来，只需要把耳朵贴在铁轨上就知道了。因为声音在常温空气中的速度大约是340米每秒，而声音在铁轨里的速度大约是5000米每秒，远远大于空气中的速度。

同样，中学物理可能会提到刚体的概念，为什么现实中没有刚体呢？所谓的刚体，也就是弹性模量无限大，把无限大的弹性模量带进波速的公式，波速也变成了无限大。也就是说，应力波在刚体里的传播速度是正无穷，刚体中力的传播将会是瞬时的。传统的理论力学提出刚体这个概念，显然是为了简化分析问题，那时候并不知道相对论和量子力学，也并不知道光速的限制。如果现在还拿着刚体来反推光速，那就是本末倒置了。现实世界里钢材已经算是弹性模量比较大的材料了，考虑大部分材料的弹性模量和密度的比值，最大的应力波速度也就是一万多米每秒的数量级，离光速差得太远了。

研究力在固体里的传播有什么意义呢？当然有意义了。物体在高速冲击下的受力与传统的静力荷载有非常大的区别，应力波的性质对这些问题的影响很大。现实世界里的爆炸、汽车撞击、高速车床加工零件、地震……都是非常快的动力荷载，材料在这些情况下的性能非常值得我们研究。

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