能量单位定义的几个争议问题

志勰

关于能量单位定义的争议解释。这篇文章是关于波的分析过程中的一个机械运动或者说运动学定义中的问题。本文提出了能量的新概念。


(4)波的能量计算单位的争议问题

第一、能量计量的量

  能量观念的改变,采用传统的能量定义模式以及能量的计量方式来对波动现象和物体间的作用进行描述,已经不再适用。在这里我们需要放弃能量守恒的观念。对于能量的计量,我们必须明确能量计量的意义,它所计量的仅仅是物体间或者物质作用传递形式的某种作用量值。这和传统的一个确定的能量量值的守恒有着天壤之别。而这就在于作用量和能量概念的理解。

  不管能量在传统的物理学、科学中是如何定义的。它的目的就是确定物体存在状态的改变大小,不论是采用外界的作用对一个系统的施加,还是系统本身状态在内在条件下的改变。它和作用量的目的是相同的。然而在计量模式上却不能统一。这就来自于传统的能量观念。在传统的能量观念中,存在着一个争议。这个争议直接决定了能量单位的形式。在谈论这个问题的时候,我们需要重新讨论在机械运动中曾经讨论过的一个问题。就是动量、冲量和动能以及做工。如图:

bdshymsh-x-4.gif (2660 字节)

  我们先来看左边的图,沿水平方向使用一个作用力去压缩一个弹簧。如果使这个弹簧保持一个确定的弹性势能,那么我们必须不断的给于这个弹簧一个稳定的确定的作用力。如果产生这个作用力是通过发动机或者我们给于一个人工的推力。那么我们需要不停的消耗一定的能量来产生这个作用力,从而来维持弹簧的压缩状态,保持这个势能。那么在这种状态下,我们需要不停的消耗燃料或者体力来维持这种作用的平衡。维持的这个作用力是不是作用了呢?在传统的物理学中是不能回答这个问题的。因为作用力的平衡状态是不做工的。中间的图和右边的图说明了这个问题。万有引力将作用力施加给物体,保持弹簧的势能,我们并不把它们看作做工。

  毫无疑问,不论是采用人工给于弹簧作用力,还是万有引力给于弹簧作用力,弹簧和物体都处于一种作用力的作用平衡状态,作用强度等与弹簧的弹性力,这个弹力也就是作用的大小。

  现在我们再来看传统的能量和作用量的区别。

  传统的能量有一个确定的总量,比如图中所画的弹簧的三种形式。

  我们先来看第一种形式:需要对弹簧施加作用,使弹簧从一种状态(正常状态)到另一种状态(势能状态)。假如弹簧的最大弹性势能所具有的弹性力为F1,并且忽略掉弹簧所具有的质量,将弹簧当作一种纯粹的存储作用的模式(存储能量的模式)。

  只要我们采用大于F1的作用力去压缩这个弹簧,我们可以在任意的时间范围里完成对这个弹簧的压缩,我们可以在几分之一秒内完成,也可以在万分之一秒内完成。采用作用力和作用时间,则完全是一个未知数,它依赖于我们所采用的作用模式。因此采用作用力和作用时间来描述这种作用过程的量。则只要采用ft就可以了。

  在对弹簧施加作用力的途径上,我们可以采用不同飞行速度的物体对这个弹簧进行瞬间施加作用力,在这个做工过程中,作用力不变的情况下,ft同飞行速度成反比。那么这导致了一个分歧点,这个分歧点就是不同的惯性参照系中的力的属性是否相同。

  [在这里,我们需要确定一个问题,就是作用力的属性问题。这个问题我要放到第二个问题(能量的属性中)中去讨论。]

  我们在来看第二种形式,地球的万有引力施加在重物上,致使这个重物不间断地给与弹簧的一个稳定的作用力,弹簧被拉伸或者压缩。我们不难判断这种作用存在一个稳定的作用量,使弹簧维持在一个确定的势能状态。但是在日常生活中,我们仅仅将这种作用过程当作一种作用平衡过程,而不是看做随时发生着能量过程。这也直接导致了作用量和能量的区别。倘若是直升飞机悬停在空中,那么我们是否也可以看作是一种作用力的平衡状态而不是做工状态呢?很显然,这不现实。因为直升飞机要燃烧燃料通过发动机去产生一个相当于飞机重量的作用力。

  由于物体间的作用关系不同,直接导致了这种作用量和能量在传统概念上存在的这种区别,并且在传统的概念上给区分开来。下面我们来讨论这个具体的问题:

第二、能量的属性

  在上面我们在探讨过程中出现了两个分歧点,一个分歧点是在不同的参照系统中,相同的力其属性是否相同。另一个分歧点是作用平衡状态随时在发生着作用,这种作用量是不是可以看作能量。下面我们分开来讨论这两个问题:

  我们先来看第一个问题:不同的参照系中力的属性是否相同。

  在机械运动中,在一个物体表面上通过表面摩擦力、通过机械杠杆来使另一个物体获得速度的机械运动模式。进而获得两个参照系统。这样的两个参照系统中,作用力的属性是有区别的。比如汽车的挡位就是变速箱通过齿轮对施加作用力改变的调整,使发动机转动一周时汽车轮胎转动速度的提升。根据杠杆原理,我们可以判断出在汽车发动机源功率不变的情况下,汽车的速度和发动机的作用力成反比。

  如果根据这样的客观事实来判断作用力和参照系统间存在这样的关系,那么这就错了。因为我们所判定的这两种参照系的作用力不是来自于两个参照系统,而是通过摩擦阻力来自于一个参照系统。比如:地面上奔跑的汽车,轮胎和地面的作用力不是来自于两个参照系统。而是通过发动机及机械转动装置的机械转动来完成发动机和地面的作用。轮胎和地面的作用力是两个参照系统的作用力。但是机械传动装置和发动机的转动通过杠杆原理的转换,发动机的本身的施力状态和地面参照系相对来说是静止的。

  也许朋友们会有这样的疑问,发动机相对于地面是运动的,其相对于地面的速度是汽车的运行速度,为什么施力状态和地面参照系是相对静止的呢?这需要您将机械传动给变换回去,这才是发动机的施力状态的施加作用力的属性和参照系的关系。这样我们可以得到,在地面上,通过机械摩擦或者杠杆传递的作用力的属性同地表参照系的作用力的属性是相同的。这就为我们提供了改善地面的车辆作用力的更新换代依据。从作用力的划分上,通过机械传动装置来推动车辆运动的可以叫做第一代作用力运动的车辆。

   那么,有没有第二代作用力的作用模式呢。当然,喷气发动机或者说火箭发动机就属于这种模式。因为它不涉及到发动机的机械传动问题。

   火箭发动机燃烧一个单位的燃料产生一个单位的作用力,是和参照系统无关的。这种这种发动机的作用力的属性和参照系统是无关的。(当然,采用机械传动装置比如汽车,其发动机的作用属性和参照系同样是没有关系的,因为将发动机的力的属性进行变换就可以得到这样的结论)

   我们找不到作用力的属性和参照系统有任何的区别。当然,这需要我们在机械传动摩擦领域对施力状态进行还原。

下面我们来看第二个问题:作用平衡状态随时在发生着作用,这种作用量是不是可以看作能量的发生。

  下面的例子似乎可以给与这种作用量不能看作能量的证明:

  我们先来说第一个例子:

bdshymsh-x-5.gif (3466 字节)     红色的是弹性很好的弹簧棒,灰色的看作一个具有一定弹性的一个物体。我们将弹簧棒弯曲并固定在这个弹性物体上,那么红色的弹簧棒则不停的施加给这个弹性体一个作用力,并且弹簧棒的两端给与这个物体的作用力是大小相等方向相反。我们可以判定,这个弹性物体会被这个弹簧棒进行一定程度的拉长。

    弹簧棒施加给这个弹性体的作用力随时在发生,那么我们能不能说能量

在弹性体和弹簧棒之间进行呢,很显然,根据传统的观念,一个作为直接的答案是不能。我们只能将它们之间的作用看作作用力的平衡状态。

  我们再来看第二个例子:

bdshymsh-x-6.gif (4631 字节)     我们将一个物体放到一个较软的木板上,在木板悬空的情况下,那么木板会被物体重力作用下改变成图中的形状,我们知道,木板任一个单位时间里,都会受到这个物体的重力作用。那么重力作用在木板上,是否可以看作能量的发生呢?

    传统的观念中我们仍然不能看作能量的发生。否

则,地面上的物体都会对地面施加能量。

    现在我们再来看第三个例子:

    一个人在背着50斤的重物站立,我们对这个过程的能量发生是如何判断的呢?一个最直接的判断结论是能量在发生。或者采用另一种说法,当一个直升飞机在空中悬空的时候,我们在另给它加上一吨的重物,那么这个直升飞机必然会加大动力,才可以保持悬空。

   如果我们对这个现象的能量判定,判定为没有能量发生,这是很超乎我们想象的。

   下面我们在综合起来看能量的问题:

    第一个例子中弹簧棒弹性势能随时在发生着作用,如果这个弹簧棒的两端不是作用在一个物体上,而是分别作用在两个人身上,那么这两个人随时必须施加和弹性力大小相当的作用力来保持这个弹簧棒保持一定的弯度。那么,这两个人在维持这个弹簧棒的弯曲程度的过程中,所付出的采用弹性势能的大小来描述很显然是不能很好描述的。第二个例子只要和第三个例子是相似的,只是换一下承载重量的对象。

    作用力和作用时间的乘积看作能量的过程是适用的。不过能量不再是一种守恒的量,也不具有传统物理观念中能量量的属性的观念,它只是改变物质存在状态的一种量,是和作用力相关联的一种量。或者更精确的说,是作用力对时间的积分。

    鉴于传统的物理学中能量的观念已经根深蒂固了,我建议采用一个新的名词来描述这种量。可以把它叫做作用量。这样既可以保留传统物理学中能量的观念,也可以将这个新的能量的观念——作用量当作能量的一种扩展。既可以承接势能和作用力的关系,也可以承接动能和势能的关系。

    不过能量的这种量的新的定义的引入,会由于能量的定义问题使物理定义系统较为复杂一些。而如果直接取代能量的观念,那么观念的过渡则太大。跨度太大了,会使争议的问题增加太多。即便这样,这个观念也已经将能量的观念所描述的含义给架空了。“能量”的观念所描述的内容仅具有历史的意义。

 

说明:本文是波的实用描述下中的一个讨论能量定义的部分。作为波动性的描述的内容有点似是而非,于是就单独的将它作为一篇单独的部分。本文的争议是很大的,大家有什么看法,请告诉我。请发到我的电子邮箱zhixie@netease.com或者将您的看法放到http://physicsfan.xilubbs.com/中进行讨论。

  zhixie

2003.3.22


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