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1、鱼尾巴挑战牛顿第三定律 梁 思 武一、牛顿第三定律的问题何在 许多物理教师都知道，中学生在学了牛顿第三定律之后总是喜欢开一个同样的玩笑：小个子状告大个子打他，但是大个子却拒不认错，反而振振有词地说：“根据牛顿第三定律 反 ，我打他等于他打我。”不知牛顿本人遇到这种情况会发表什么高论，反正老师无法再用力学原理作出合理的解释，只能批评学生调皮捣蛋，乱用牛顿定律欺负小同学。由此可见，牛顿第三定律确实存在一定的问题，不能对两个物体之间相互作用的各种情况作出圆满的解释。 大家知道鱼是靠摆动尾巴获得反作用力来推动身体前行的，观察那些高速运动的鱼类，可以发现它们的一个共同特点就是都有一条大尾巴，而那些低速运
2、动的鱼类一般尾巴较小。进行受力分析可知：大尾巴摆动时所受的阻力较大，小尾巴摆动时所受的阻力较小。由此可见，反作用力的大小与所受阻力的大小有关。 如果把黄鳝和泥鳅作一个比较，我们知道黄鳝的力大钻泥能力强，泥鳅的力小但游水能力强。再来看它们的尾巴：黄鳝是细而尖，泥鳅是宽而大。由此可见，反作用力与作用力的大小并不一定完全相等，而是与所受的阻力密切相关。 如果说对鱼尾巴的分析还不能给牛顿第三定律作出一个明确的结论，那么再来分析一下桨和篙的作用就会真相大白。在浅水中用篙撑船最有力，表明 反 ，在深水里用篙撑船就无力，表明反 （或 反 。但是在深水中用桨划船却有力，这是为什么呢？因为用桨划船时受到了很大的
3、阻力，而用篙撑船时几乎没有受到阻力。这表明反阻。归纳上述例子可以得出如下结论： 反 阻 。 推而广之，上述结论仍然成立。例如人在沙滩上行走比在公路上更费力，是因为沙滩对脚的阻力比公路更小；汽车在轮子打滑时所获得的推力比不打滑时更小，是因为轮子在打滑时所受的阻力更小；前面所举学生打人而不打墙壁，是因为打人比打墙壁所受的反作用力更小等等。 也许有人会问：当 反 时，多余的作用力到哪里去了？根据牛顿第二定律ma，多余的力使被作用的物体产生了加速度。例如汽车轮子在打滑时比不打滑时转得更快；自由下落物体的速度不断加快；两个人推车比一个人推车时跑得更快等等。 我们查阅了现行的中学物理教材和各种理科词典，其
4、中牛顿第三定律的叙述都没有完整地表达作用力与反作用力之间的正确关系。因而我们这里先把作用力与反作用力定律修正如下，供物理学界的同仁们探讨时参考，以求收到抛砖引玉之功效。 在物体给物体一个作用力的同时，物体也给物体一个反作用力。当物体静止（作用点固定）时 反 ；当物体运动（或作用点滑动时） 反 ，这时反作用力等于物体在的作用下运动所受到的阻力阻，即反阻。综合上述两种状况得： 反 阻 。 二、 反 阻 的实用价值 牛顿是科学史上的一颗巨星，要修正他的定律就如同当年修正“地心说”一样难以被世人所接受。但是，牛顿再伟大也还是人而不是神，他的理论也并非神圣不可动摇。例如爱因斯坦就修正了他的时空观而创立了
5、相对论。历史在前进，科学也必然要发展，我们修正牛顿第三定律绝不是为了玩文字游戏，而是来自客观现实的需要。我们在研究喷水式高速轮船时，由鱼尾巴的功能得到启示，然后推导得出 反 阻 。其实用价值首先就体现在轮船的制造方面。 就拿现行的螺旋桨轮船来说，由于受 反 理论的影响，在设计轮船时只注重增加发动机的马力，而忽视了增加螺旋桨的半径；在设计螺旋桨时只注重提高螺旋桨的转速，而忽视了增加螺旋桨的纵向阻力。因此，当螺旋桨高速旋转时经常产生空泡，推进效率很差，轮船的航速自然也就很低。 根据 反 阻 ，在设计轮船时就要尽量增加螺旋桨的半径，或者是改变轮船的结构造型来增加螺旋桨的个数；在设计螺旋桨时就要尽量增
6、加其旋转时所受的纵向阻力，从而获得更大的反作用力来提高推进效率。又如在各种飞机中要数喷气式飞机的速度最快，但是喷水式轮船的推进效率却很低呢？分析其原因发现，喷水式轮船在 反 理论的指导下，只注重提高喷水的速度，而忽视增加过水管道的横切面积。 修正牛顿第三定律不仅只是一个物理学方面的理论问题，更重要的是能够帮助我们解决很多生产建设中的实际问题。例如在 反 阻 的理论指导下，我们发明的喷水式高速轮船和履带轮式沙漠车等等。此外， 反 阻 还能广泛地用于指导飞机、火箭和车辆等运动机械的制造设计，对于提高它们的推进效率都会大有帮助。 把 反 阻 的理论指导意义归纳起来，主要集中地表现在工业生产中节能效益方面。在当今世界这个能源逐渐紧缺的时代，它将必然会逐渐显示出自己宝贵的实用价值。 - 本文 2000 年 7 月已经在湖南的发明与革新杂志上发表，这里稍有改动。
