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水中物体的周围存在着力场

水中物体的周围存在着力场

作者: 难忘的唐果 | 来源:发表于2021-07-13 00:14 被阅读0次

以水中的麦粒为例,假设在麦粒开始膨胀至结束的时间段内,在麦粒的表面有一个观察者。在观察者的眼里,其周围水分子运动的情景又是怎样的呢?如图,以观察者的中心为原点,以观察者和麦粒中心的连线为Z轴,建立空间直角坐标系。

如图,

水中物体的周围存在着力场

对于观察者而言,设观察者的尺度比悬浮在水面上花粉的尺度要大,我们认为作无规则运动的水分子从四面八方撞击观察者的概率相同,但在Z轴的负向上,由于受到麦粒的阻挡,观察者并未感受到水分子的撞击。我们以观察者为研究对象,在各个方向上受到水分子的撞击的合力为,

在X轴的方向上,∑X=0

在Y轴的方向上,∑Y=0

在Z轴的方向上,观察者受到水分子撞击的合力不为零,合力的方向指向麦粒的中心,即,∑Z≠0

此时,处于麦粒表面上的观察者对水分子热运动的感觉是什么呢?他会感到被一种力紧紧压在麦粒上,这个力就是水分子的热运动对观察者撞击的合力,就像上面的在Z轴上的分析一样。但如果观察者不在麦粒的表面,而是和麦粒有一定的距离,会是如何呢?

现在我们假设水中有两个物体A和B,二者的体积分别为,VA和VB中心的距离为R。

水中物体的周围存在着力场

如上图,以物体B的中心为原点,以二物体的中心A、B的连线 为Z轴的正方向,建立空间直角坐标系。如果把物体A、B任何一个放入水中,因为二者的尺度都是比花粉要大得多的,所以我们可以认为处于水中的单独的物体在各个方向上受到水分子的撞击的机率相同,即它受到水分子作用的合力为零。但如果二物体相隔一定的距离R放入水中会出现什么情况呢?

以B物体为研究对象,由以上的分析,我们知道,在X、Y轴的方向上,B物体所受到的水分子的撞击的合力为零,即,在X轴的方向上,∑X=0

在Y轴的方向上,∑Y=0

但在Z轴上,∑Z≠0

因为水分子受到A物体的阻隔,所物体B在Z轴的负向上受到水分子的撞击的机会要比在Z轴的正方向上机会要小,也就是说,物体B在Z轴上正方向受到水分子的撞击的合力要大于负方向的合力,即,

FB正-FB负>0

是物体B在Z轴的正、负方向上受到水分子的作用的合力。

因为,所以B就会受到一个力的作用,方向指向物体A的中心,设这个力为F,则,

F=FB正-FB负

同样,如果以物体A为研究对象也会同样出现这种情况。

也就是说,物体A、B之间因为有水分子的热运动,从而二者之间存在着一个力场,和二者因万有引力作用而相互吸引的作用效果相同。

这种现象在自然界中也可以看到,如,我们常常可以看到池塘中石头容易吸附微小的苔藓和灰尘,就是因为石头和微粒之间存在着一个力场。

我们也可以这样认为,如果不考虑地球重力的话,在物体A、B之间的Z轴方向上,因为有A、B的体积的阻隔,会存在一个水分子运动的负压,这个负压是造成二者之间存在着一个力场的原因。

设二者的距离为R,则二者之间因水分子热运动而产生的作用力F和R有什么关系呢?

由以上分析我们知道,物体A、B之间产生相互作用的原因,是二者中心连线的方向上因为二者体积阻隔从而存在着水分子热运动的负压。当二者的距离增大时,水分子就会从二者的切线方向以内的方向增加撞击二者的机会,从而导致二者之间的负压减少,即其相互作用的力也会减少。也就是说,二者的相互作用力F和距离R是减函数的关系,同时和二者的体积的大小成增函数的关系。假如二者的距离R改变了ΔR,则二者的作用力F也会改变ΔF。令,f为F随着的改变而变化的规则,则,

则,

其中K为二者作用的系数。

这个因水分子的热运动而产生的物质间的作用,和牛顿的(Newton)的万有引力的作用的形式有点相似。

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