牛顿第一定律与物体的平衡

牛顿第一定律与物体的平衡
牛顿第一定律告诉我们：物体在不受力或则所受合外力为零的情况下，总保持静止或匀速直线运动状态。

牛顿第一定律实际上告诉我们物体平衡态的等价性。

物体的平衡态包括力学平衡和运动学平衡。

力学平衡即物体所受的合外力为零以及不受力。

而运动学平衡即静止或者匀速直线运动状态，实际上静止或匀速直线运动状态可以统一为物体的速度矢量为常矢量（当速度矢量恒为零的时候即静止状态，当速度矢量不为零但等于常矢量的时候即为匀速直线运动）。

根据牛顿第一定律我们知道当物体处于力学平衡的时候即同时处于运动学平衡，也就说明物体的力学平衡和运动学平衡是等价的：当物体处于力学平衡的时候也同时处于运动学平衡，反过来也是成立的，即当物体处于运动学平衡的时候则也同时处于力学平衡。

因而我们有：
运动学平衡⇋力学平衡
牛顿第一定律同时也说明：当物体不受力或则所受合外力为零的时候，物体的运动状态不会发生变化。

因为从牛顿第一定律我们知道物体在不受力或则所受合外力为零的情况下，速度矢量是常矢量，也就是说运动状态不会发生变化：初始时刻是以某一速度矢量运动，那么在下一时刻速度矢量不会发生变化，所以从这里我们可以看出物体总有保持原来运动状态的本领，物体的这种性质我们称之为惯性。

衡量惯性大小的物理量是质量，同一个力作用在质量不同的物体上，我们会发现质量大的物体运动状态改变小（参见牛顿第二定律）而质量小的物体运动状态改变大，也就是说质量大的物体越难改变其运动状态，保持原来运动状态的本领越大，惯性越大，而质量小的物体则越容易改变其运动状态，保持原来运动状态的本领越小，惯性越小。

牛顿第一定律在提出以后人们一直把它当作自然界的一条普适定律，对任何物体都适用。

然而随着认识的一步步加深，人们发现在微观世界（即牵涉到分子、原子的层次）以及宏观高速运动（物体运动的速度接近于光速）的时候，牛顿定律不再适用。

事实证明牛顿定律只适用于宏观低速运动的物体，对于微观世界的运动规律需要用到量子力学理论，而对于宏观告诉运动的物体则需要用到爱因斯坦的相对论。

牛顿第一定律从根本上说是物体平衡态的等价性。

对于运动学平衡我们很容易观测出来，即物体静止和做匀速直线运动。

而力学平衡则需要我们对平衡态进行受力分析。

物体的受力分析可以归结为以下几步骤。

首先分析物体所受的力，画出物体受力分析示意图。

一般来说先分析重力（在涉及到带电粒子运动的时候往往忽略其重力，题目会有明确的说明，如果没有则需要考虑重力），再分析接触力（包括弹力、摩擦力这类需要两物体接触才能产生的力），最后考虑非接触力（包括万有引力、电场力、磁场力等）。

接着我们建立直角坐标系。

对于平衡态建立坐标系的原则是使更多的力位于坐标轴上，因为位于坐标轴上的力我们不需要对其分解，可以大大化简问题的复杂性。

建立完坐标轴后，我们将余下来不在坐标轴上的力沿坐标轴方向分解。

分解完后我们就可以列方程。

对于平衡态，物体所受的合外力为零，也就有平衡方程：
沿x轴正方向的力之合=沿x轴负方向的力之合
沿y轴正方向的力之合=沿y轴负方向的力之合
根据平衡方程我们可以得解。

对于多个物体的平衡，一般来说我们先对每一个物体进行受力分析，然后对每一个物体列平衡方程，然后连理所有的方程进行求解，相对而言比一个物体的情况而言复杂一些。