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F=ma 是否和牛頓第二定律不同

在國高中及大學教科書中,都以F=ma 來表示牛頓第二定律。但是對物理史 學家而言,他們卻嚴正地駁斥這樣的說法,他們認為F=ma 是 Euler 所寫下的新 原理,正如 Maupertuis 在審查過 Euler 的論文後所說的一樣:「是一個完全不同 的原理(Maltese, 1999, p.66)。」到底 F=ma 是否為 Euler 所寫下的新原理,亦或只 是牛頓定律的另一種形式呢?

一、誰最先寫下 F=ma

回顧18 世紀初的科學家們呈現出的運動定律。1707 年,Varigon 寫下:「f 正 比於mdu/dt。」應該是最早出現類似 F=ma 的表達式;1736 年,Bernoulli 寫下:

「f=ma。」因此 F=ma 最早是由 Bernoulli 寫下,而非 Euler (姚珩、李秉書,2015,

p.23-24)。如果我們閱讀 1736 年 Euler 的書,將找不到 F=ma 的表達式,最接近 的也只有:「dv=nFdt/m。」其中 n 是「一個常數,在所有情況皆相同的數字」

(Maltese,1999, p.65)。

之後Euler 不斷使用類似的方程式,最接近的形式是:

fx = kmd2x

dt2、fy = kmd2y

dt2、fz = kmd2z

dt2 (6-1) 關於k 的值,1736 年是1

2或1

𝑛,1750 年是 2,1765 年是1

2g,1775 年才是 1 (Sharma, 2014, p.503)。(6-1)式可以簡化為向量式f⃗ = kma⃗⃗,可以視為在 Bernoulli 之後,所 寫下更完整的表達式。

二、F=ma 是否為與牛頓定律不同的新原理

牛頓的第二定律描述:「運動的變化正比於外力,變化的方向沿外力作用的 直線方向。」正如第二章所提過的,牛頓在圖上畫出不受外力時,物體(根據第一 定律)沿直線前進的一段距離,這個方向指向切線的方向;然後,牛頓利用第二定

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律找到速度變化的方向,對圓周運動或橢圓運動的天體而言,皆指向一個固定的 點,因此這個外力稱為向心力,指向一個固定的力心。

牛頓的數學方法是純粹的幾何學,這和往後歐陸的科學家完全不同,他們使 用萊布尼茲的微積分形式,也就是代數,來處理運動問題。事實上,如Varigon、

Bernoulli、Euler…等人,也都有以圖形來表達物體的運動,卻用代數來作運算,

這個差異就在於:笛卡兒的解析幾何。

解析幾何就是利用直角坐標將空間表示為一組數對(x,y,z),隨著物體在空間 中移動,座標就會隨之改變。當x,y,z 符合某些方程式時,就會畫出不同的圖形;

反之亦然,可以將各種圖形或軌跡,以方程式呈現。當 x,y,z 隨著時間而改變,

在代數上就可以寫成時間的函數。因此將物體的運動表達為 x,y,z 座標,就能利 用代數方法來簡化幾何問題,這就是解析幾何!

牛頓有向量的概念,也有對線段與長度做簡單代數上的運算,但他並沒有用 座標來建立空間的概念。他在處理力學問題時,找到速度在切線方向,速度變化 在徑向方向(物體連向固定點或參考中心的方向),隨著物體運動,這些方向是不 斷變化的,因此分析起來難度也比較高。但是Euler 使用解析幾何中座標的概念,

將物體的位置表達成x,y,z 三個分量,這三個分量彼此是獨立的,不會彼此影響,

把三個方向的位置對時間微分就得到三個方向上的速度,速度變化量也能由此得 知,這樣的做法和牛頓的方法相比,就簡單許多。

但是,為何F 應該等於 ma,為何力是和加速度成正比?若非牛頓,誰會知 道所有的圓周運動的天體、橢圓運動的行星與地球上物體的落下,他們的速度變 化皆指向一個中心,並與距離平方成反比呢?若牛頓沒有發現這些現象背後有相 同的數學形式,又怎麼會提出外力會和運動量的變化(速度變化量)成正比呢?

牛頓的貢獻絕對是不可抹滅的,他的《自然哲學的數學原理》啟發了後世所 有的科學家如何分析物體的運動。Euler 是參考 Bernoulli 寫下的 F=ma、使用解 析幾何中座標的概念,將牛頓的方法寫成了全新的代數形式。

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然而,F=ma 也代表當 F 為零時,加速度將為零,物體的速度將不變,反之 亦然,這恰好就是第一定律的結果。因此,F=ma 應該被視為是結合牛頓的前兩 個定律,加入解析幾何中座標的概念,將運動定律表達成代數方程式的結果,並 非新原理。

但是在第四章我們就提過,Euler 有提出一個分析非質點物體的方法:「先將 物體分割為質點,然後分析單一質點的運動方程式,再利用連續性找出整體的運 動模式。」這個方法使Euler 能夠處理更多工程上的問題,尤其是在這些非質點 的物體,各部分的運動不同時。

如果使用幾何配合這個分析方法,一次畫一張圖只能分析一個質點,另一個 質點就要再畫一張圖重新分析,極為困難。但是代數方法可以用一組 x,y,z 來表 示任意質點的位置,只要用寫下一組方程式就可以代表每一個質點的運動,非常 方便,所以Euler 的分析方法之所以成功,也是因為他使用了代數作為數學工具。

因此Euler 參考 Bernoulli 於 1736 年所寫下的 F=ma,於 1750 年將牛頓定律 改寫成具有三個分量的代數方程式、並且使用「將物體分割為質點,找到每個質 點的運動方程式,再用連續性找出整體的運動模式」的分析方法,成功地完成了 許多工程上的問題,不論是剛體的旋轉、彈性體的振動、流體的運動、弦的振動,

都能夠清楚的分析。

除此之外,Euler 分析剛體問題時寫下的的標題:力學新原理的發現,應該 是指他自己在剛體問題上的貢獻。在他之前從沒有人精確的分析並且找出力矩與 轉動的關係,因此Euler 稱其為新原理,實為當之無愧。

Euler 不僅將牛頓定律以更清晰的代數方程式來呈現,也將牛頓力學擴展到 工程的問題,奠定了工程上各學科分析的基礎。牛頓的力概念,也因著和工程問 題的連結,較易被接受。

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