大部分我們所熟知的宇宙都受牛頓三大定律支配。“每日愛因斯坦”將以足球為例為大家解釋牛頓定律對于運動的影響。

圖解：在巨著《自然哲學的數學原理》1687年版本里，以拉丁文撰寫的牛頓第一定律及牛頓第二定律。

運動定律

翻遍自己的書架，你會發現并沒有一本叫做《自然哲學的數學原理》的書。然而，你應該把它塞進你的書架。這本書是艾薩克·牛頓于1687年寫就的。其中囊括了宇宙中最重要的自然定律之一：牛頓的運動三定律。我們將闡釋這三項定律，并討論他們是如何作用在足球，這一高貴的運動中的。

圖解：物理界的泰斗艾薩克·牛頓。

牛頓運動第一定律

每場足球比賽開始，足球都位于場地正中央。直到猜硬幣勝利的一方開球為止。球靜止不動，不會四處滾動的原因，就在于牛頓運動第一定律。

圖解：懸掛于兩條特定彈簧的一個物體，正好能夠將這兩條特定彈簧延伸特定距離，則這物體的重量等于兩個標準單位力。

第一定律也常叫做慣性定律，原文如下：

任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。

換言之，除非受到外力作用，物體都會保持其原有的運動狀態。所以足球在沒有受到外力的情況下，會一直，一直停在那里。

圖解：工業飛輪具有很大的轉動慣量，可以用來抗拒轉速的改變。當動力源對旋轉軸作用有一個變動的力矩時（例如往復式發動機），或是應用在間歇性負載時（例如活塞或沖床），飛輪可以減小轉速的波動，使旋轉運動更加平順。

力與你同在（牛頓第二定律）

終于，有人踢起了球，場面也熱烈了起來。在腳挨到球的那一刻，腳對球作用的力讓球開始加速。力和加速都囊括在牛頓第二定律里。牛頓是這樣說的：

運動狀態的改變和對其施加的力是成正比的，并且運動改變的方向也和力的方向相同。

這似乎讓人印象不深。所以后人將第二定律簡化為“力等于質量乘以加速度”，或者“F=ma”。

圖解：應用杠桿原理，可以實現對于標準單位力的任意分數倍。如上圖所示，當是的三分之一時，杠桿會呈靜態平衡狀態。

風阻

再來看看別的施加在球上的力。首先，腳對球施加的力讓球離開了原來的位置。當球飛在空中時，還會受到風的阻力。

阻力是指物體在流體中運動時受到的力。在自然科學中，不只液體，氣體，如空氣，同樣是流體。也就是說，球在空氣中運動也就是在流體中運動，受到阻力的影響。阻力的大小取決于很多因素，包括運動物體的形狀，空氣的具體成分等。如果這些因素都相同，那么影響阻力的因素主要是物體和流體之間的相對速度。

“相對速度”指球速度和空氣速度的相對差值。逆風的情況下，球受到的阻力會比順風的情況大。

圖解：功率曲線：寄生阻力及誘導阻力和速度之間的關系

情況嚴“重”

另一個影響球運動的力是重力。如你所想，重力讓球重新落回地面。要注意的是，重力永遠在把球往下拉，就算球在地上靜止不動，也是如此。

球飛得越高，受到的重力越小。當然，以我們踢球的高度，重量變化可以忽略不計。如果球能飛到珠穆朗瑪峰那么高，球受到的重力會減少約0.2%。

摩擦力

球回到地面上后，還會受到另一種力，也就是摩擦力。當固態物體在固體表面運動時，就形成了摩擦力。球所受的摩擦力大小也取決于諸多因素，包括球的質量，場地的坡度，以及摩擦系數等。

物體之間的摩擦系數取決于兩個物體的材料。摩擦系數越高，兩者相對運動產生的摩擦力就越大。比如說，橡膠和瀝青之間的摩擦系數是0.9，而橡膠和濕瀝青之間的摩擦系數只有0.25.這也是為什么你的車子更容易在濕滑路面上打滑。

牛頓第三定律

最后就是牛頓第三定律了，也是最著名的一條：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反。

圖解：兩位溜冰者彼此施加于對方的力，其大小相等，方向相反。雖然彼此施加的力的大小相等，兩者各自的加速度并不一樣。根據第二定律，質量較輕者的加速度比較大。

也就是說，每當你踢一腳球，球也會對你施加同樣大的力。那為什么你不會飛起來呢？因為力的大小等于質量乘以加速度。你的腿比足球重得多，自然也不會有和球一樣的加速度。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. quickanddirtytips-Lee Falin- PRUFROCK

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