力的傳遞有速度嗎?
假設一物體長度千萬公里,一端施加力,另一端感受到力需要時間么?如果需要時間他應該有速度吧?這不是瞬間完成的吧?如果有速度,這速度是否超越光速?
本問題忽略力的損耗。
一句話答案:一根 5000 米長的鋼筋,一個變形金剛從這一頭推了一下,另一頭要 1 秒鐘之後才會移動。
比如擎天柱拿著這根 5000 米長的鋼筋去捅威震天,擎天柱的手移動 1 秒鐘之後,鋼筋的另一頭才會向前移動。再比如周芷若拿著 1 米長的倚天劍去捅張無忌,周芷若的手移動 0.0002 秒之後,倚天劍的劍尖才會向前移動。只是因為這 0.0002秒的時間實在太短,只有高速攝影機才能捕捉,所以肉眼看上去,周芷若的手和倚天劍的劍尖像是同時開始移動的。
這其實還是屬於低速低能量的問題,用不著思維實驗,也用不著粒子物理。1807年托馬斯·楊就已經在論文里提到 stress-wave propagation 的概念了。
想測試力的傳播速度也用不著千萬公里長的物體,一般來說,十幾米長的已經綽綽有餘了。
(圖片來源:https://engineering.purdue.edu/people/weinong.w.chen.1/equipment.html)
就像照片里這樣,如果我整一個很長的圓棒,與支座之間的摩擦很小,圓棒上每隔一定距離貼一個應變計。然後我用大鎚猛敲圓棒的一端,請問這三個應變計的讀數會同時變化嗎?
這個實驗一點兒也不複雜,砸一下鎚子,記錄三個應變計的讀數就行了。實驗做出來,三個應變計的讀數是這樣的:
橫坐標是時間,縱坐標是應變計的讀數。很明顯,它們不是同步變化的,而是依次變化。兩個應變計讀數發生變化之間的時間,就是「力」或者叫「應力波」從第一個應變計所在的位置傳播到第二個應變計所在的位置所用的時間。
當然,我畫的是一個非常理想化的模式圖,實際的實驗結果其實是這樣的:
(圖片來源: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)
應力波的傳播速度跟很多因素有關,最最理想化的估算,應力波的速度等於楊氏彈性模量與密度的比值再開根號。比如普通鋼材的彈性模量大約為 200 GPa,密度大約為每立方米7.8噸,所以
也就是說,力在鋼材中的傳播速度大約為5000米每秒。我們上面提到的實驗里,兩個應變計之間的距離大約是3米,所以3米除以5000米每秒就等於0.6毫秒,也就是實驗結果里相鄰的兩個應變計信號之間的時間。
換言之,如果這根圓棒有 5000 米長,那麼從大鎚子敲上去開始計時,到另一端的應變計有讀數為止,時間差不多剛好 1 秒鐘。
有沒有覺得5000米每秒這個數值很眼熟?其實小學自然課就已經學過了。如果想早一點知道火車來,只需要把耳朵貼在鐵軌上就知道了。因為聲音在常溫空氣中的速度大約是340米每秒,而聲音在鐵軌里的速度大約是5000米每秒,遠遠大於空氣中的速度。
同樣,中學物理可能會提到剛體的概念,為什麼現實中沒有剛體呢?所謂的剛體,也就是彈性模量無限大,把無限大的彈性模量帶進波速的公式,波速也變成了無限大。也就是說,應力波在剛體里的傳播速度是正無窮,剛體中力的傳播將會是瞬時的。傳統的理論力學提出剛體這個概念,顯然是為了簡化分析問題,那時候並不知道相對論和量子力學,也並不知道光速的限制。如果現在還拿著剛體來反推光速,那就是本末倒置了。現實世界裡鋼材已經算是彈性模量比較大的材料了,考慮大部分材料的彈性模量和密度的比值,最大的應力波速度也就是一萬多米每秒的數量級,離光速差得太遠了。
研究力在固體里的傳播有什麼意義呢?當然有意義了。物體在高速衝擊下的受力與傳統的靜力荷載有非常大的區別,應力波的性質對這些問題的影響很大。現實世界裡的爆炸、汽車撞擊、高速車床加工零件、地震……都是非常快的動力荷載,材料在這些情況下的性能非常值得我們研究。如果是題主所說,那力的傳播速度相當于振動的傳播速度,即介質的聲速,如果是引力,電磁力,那就是光速。
力不能直接傳遞,或者說力本身就是一個人在研究過程中提出的概念,但位移可以傳遞。
我們可以假設有一根剛度無窮大的桿,桿兩端各有一個人,其中一個在一端施加一個力,另一個會在同時受到力的作用,但這種材料不存在,現有的材料都是會變形的。
如果存在理想剛體的話另一頭確實會瞬間有力的作用,可現實中並不存在
首先,宏觀上講,我們平時感受的「力」在介質中的傳播速度就是聲速。但平時我們感受到的推力、拉力、扭矩等等作用本質上是大量分子之間電磁相互作用在宏觀上的體現。微觀上這種相互作用的傳播速度是光速,然而它的作用距離非常小(因為大部分物質都是電中性的),因此只有彼此鄰近時才會作用,而這是需要時間的。所以我們平時所謂的宏觀力,來源於介質中大量粒子電磁相互作用的方向性傳遞,傳播速度自然是聲速。
這個問題我大學時問過我的老師,分子間相互作用是要花時間的,並沒有絕對剛性材料對不對。如果超光速,就是以太思維了。還有,太陽如果突然沒了,地球還會繞轉8分鐘再飛走!力不會是瞬時的。
剛體在相對論時空中是不存在的,可以直接用自洽性檢驗其錯誤所在。
在經典力學裡和牛頓時空觀里,剛體的定義要求其空間任意兩點距離在任意時刻相等,而在相對論時空觀中,同時性並不存在。這會導致什麼樣的結果呢?在你所選定的參考系中,你發現在一端按下槓桿,另一端在同時翹起;而在另外一個運動的參考系中,這兩個事件相差了一段時間!可以想像,在這個運動的參考系中觀察,你把一端按下去,過了一段時間另一端才翹起來,你又覺得力的傳播是有時間的。
到此為止已經完全可以看出有問題了。嚴格一點則完全可以得到,動量守恆在這個運動的參考系中是不存在的。如果引入了剛體,物理規律在兩個參考系中發生了變化!這個相對論和現代物理學的基本思想在根源上是違背的,這就說明了剛體的不存在。而槓桿是典型的剛體,那麼在相對論時空觀下,用你的備註的方法證明力傳播速度無窮大的途徑在邏輯上是錯的。
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必須說明,這還不能說明力的傳播速度是有限的,只能說明槓桿法這個方法錯了。但實際上,剛體和超距作用是分不開的。根據之前的思想實驗,剛體的存在必然導致和相對論時空觀的矛盾,從而超距作用(無窮快的相互作用)在相對論時空中是無法存在的。
可是這裡還有一個tricky的情況,如果相互作用是粒子性的,而且粒子的運動速度是無限的,那便可以在物理規律不變的情況下產生表觀上的超距作用。但粒子的速度是被場論嚴格限制的,而且恰好低於光速。在相對論中我們也可以發現超光速的災難性後果,可見光速限制也是十分合理的。
客觀上說,以我現在的學識,這並不是一個很好回答的問題。因為物理上的第一性原理的知識永遠無法自證,也許相互作用有一天被證明的確可以無窮快也不是沒有可能。無論如何,在現有知識體系和實驗觀察下,力(相互作用)傳播速度的確是有限且必須低於或等於光速的。題主指的是彈性力吧,物體受力是因為形變!而形變需要時間!
現在最高票的答案從實驗物理的角度給出了結論,實驗分析很到位。我希望從理論的角度做一些闡釋。
Fdt=mdv
動量定理的微分形式。可以看出,力是動量的變化率。
物理上認為,動量是比力更加本質的屬性。實際上,力是人對物質運動的一種主觀描述。客觀世界中,其實並不能直接體現「力」這一屬性,表現出來的是場之間的作用或者動量之間的作用。
對日常所見的宏觀低速物體之間「力」的傳遞,表現為通過碰撞兩者動量的轉移。而這種碰撞屬於電磁力,在微觀上又是場的作用。
對物質的定義也體現了這一點:物質是具有動量和能量的物體。
於是,有如下結論:
1、我們說指的「力」是依賴於時間存在的,沒有時間,就沒有力的作用效果,顧力的傳遞需要時間;
2、動量和場是物體之間相互作用的本質,當我們觀察客觀世界時,我們可以測得速度和質量,於是我們可以得到動量;通過物質之間作用導致動量改變的現象,我們可以觀察到場。但「力」本身是無法觀測到的。
最後,引用一下@豬小寶的例子幫助大家理解:理想狀況下的剛體在受力時力的作用將不受時間影響,即作用速度超光速,顯然違反了相對論。但如果我們分析作用於剛體的這種力,會發現它無法被歸類於四種力之中(強相互作用里,若相互作用力,電磁力,引力;通常的推力、摩擦力等屬於電磁力,微觀上是分子間的相互作用,但剛體無法體現這一點),於是,這種力本身是不存在的。
而四種力的本質,都可以歸結為動量和場(實際上,由於場本身屬於物質,那麼場之間的相互作用也可以看做動量之間的作用)。
以上。其實很多人根本沒有考慮過力究竟是什麼。
實際上更本質來講,物理學所說的力是指一種相互作用。而一般通俗的認識呢,力則是相互作用的結果。
比方說,你給了一輛小車一個推力的力,這就是後一種理解。而通常所說的量子力學之類的力,就是前一種理解。
對於前一種定義而言,傳統認為本質的相互作用就是4種,強、弱、電磁、引力。
相對論認為這4種相互作用的最高傳播速度是光速。
不過總之呢,這樣的微觀相互作用一次一次一次的發生,導致一般所說的力的傳播要比相互作用的傳播速度慢許多。
這種機械力傳播的速度,通常就是這種物體內的聲速了。
孩子,機械力的傳播速度就是音速啊!
剛體中音速無限大,但這只是理論模型。
現實中沒有剛體。。
力是不能傳遞的。。。
這是能量變換的過程,是動能和勢能頻繁的相互轉化。。所以,所謂「力」的傳遞速度和材質有關。
聲波。
地震啊同學。。。縱波就是壓力波,應該是你說的意思吧。。。
霍普斯金桿知道么?應該學力學的都知道吧,
用一根桿撞擊另一根桿,然後在後者的不同位置貼上應變片,測量其應變與時間的關係。
最後發現相隔一定距離的位置的波譜出現相位差,就是因為不是同時產生應變,這就證明力的傳播是有速度的。有啊,當然啊。
現實中不存在剛體,這點高贊答案已經說得很明白了。
你再用反證法,如果存在剛體,我就可以從宇宙這頭用一根十萬光年的棍子用摩爾斯電碼捅一個外星人的屁股,這樣這信息的傳播速度就超光速了。
超光速也就罷了,要是比某個記者跑得還快了,就違反因果律了。
這樣的話,等於你也是有責任的吧?
我靠看到各種奇葩回答直接跪了……
這都什麼跟什麼啊,四大基本力、量子力學、光速、玻色子都上場了……
……
……
……
……
你們知道聲波么……
第一名的答案說得很清楚了,估計好多人都不了解。就是應力波,補充一下,以前做無損檢測的時候見過一台利用應力波的進行檢測機器。好像是義大利的。
理想狀況下就是光速。
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