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24 引力常量的共核惯量守恒定律计算式,让引力计算无需引力常量

2024-07-29科学

引言:

首先要明白:牛顿发现的万有引力定律仅仅是一个猜想定律,引力与距离平方成反比的猜想最先应该是英国的胡克,这也是牛顿与胡克之争的故事缘由。

当然,胡克包括牛顿在内提出引力与距离成反比的理论时,发现计算结果与实际情况并不相符,为此,牛顿在万有引力定律中设置了一个参量,这就是引力常量,以此来诠释与实际计算结果不符。

在万有引力定律中:

(引言1)

G就是万有引力定律中牛顿设置的引力常量参量,显然,要计算出两个质量物体的引力大小,在给定质量与距离后,如果不给出引力常量值,仍是无法计算出引力大小的。

若无法测定或计算推导出引力常量,那么万有引力定律永远就是一个猜想式,并没有任何实际应用价值。

为此,牛顿毕其一生力图找到这个引力常量,但很遗憾都失败了。

直到牛顿逝世100多年后的1798年,英国物理学家卡文迪许通过扭称实验测定出这个引力常量,从此,万有引力定律才有了实际作用,从此让天文学进入了一个数学计算时代。

本篇文章将从共核惯量守恒定律出发,论证以下三点:

一是通过共核惯量守恒定律推导出引力常量计算公式,从此宣告引力常量不仅仅依靠实验来测定,而是可以通过计算来求得。

二是推导出更多的引力计算公式,以此来替代万有引力定律,新的引力计算式完全无需引力常量就可以直接计算。

三是明确经典物理学定义的引力是根本不存在的,一切质量物体因为运动而具有能量,力是能量作用效果,这称为运动力,而引力的本质就是宇宙天体作永恒共核运动而产生的运动力。

24.1巧妙的卡文迪许扭称实验

先看卡文迪许设计的实验装置图(24-1-1):

(24-1-1)

在上图装置实验中,通过悬挂两个小质量的铅球让其平衡,然后在其旁边放置两个大质量铅球,通过大铅球对小铅球吸引使得平衡杆发生偏转产生偏转角,通过镜面光线反射放大偏转角以便于观察,从而计算出力矩大小而计算出引力F,再将计算得到的引力F代入万有引力定律中,从而求得引力常量。

其测量计算的推导式是:

(24.1.1)

这样,只有G为未知量,变形计算式即可求得引力常量值。

这就是物理学引力常量测量的扭称实验,首创应为米歇尔为测定磁力大小变化而设计的扭称实验装置,后来还有为测定点电荷之间作用力的库伦扭称实验。

引力常量测定实验的实际意义就是完善了万有引力定律,从而使得万有引力定律具有了实际应用,特别是在天文学中能够计算出天体之间的引力,以及天体的质量,因此卡文迪许被称为第一个测定地球质量的物理学家。

同时,卡文迪许对引力常量的测定,确定了万有引力学说的地位,验证了万有引力的存在。

24.2共核惯量守恒定律的基本内容

先要了解共核惯量守恒定律的基本内容:

宇宙内所有运动其参照系都可确定为一个点或轴为核心的共核运动,在不受任何外作用下物体都将作永恒的共核运动,且其任意时刻轨迹点上的共核惯量守恒,这就是共核惯量守恒定律

共核运动中参照系的点(轴)叫做 核心, 物体质量、核心距离与速度平方的乘积叫做 共核惯量,共核惯量的表达是:

(24.1.1)

在确定的共核系内不受外作用下时,把满足任意时刻轨迹点上共核惯量守恒的共核运动,称为 共核惯性运动;

在共核惯性运动中,任意时刻轨迹点上核心距离与速度平方的乘积恒等于一个常量q,叫做 共核常量。

在天体运动中,公转、自转和自由落体(抛体)运动都是确定共核系中不同形式的共核惯性运动,因此其任意时刻轨迹点上的共核惯量守恒,共核常量恒等,这样就有 天体运动的共核常量恒等方程

(24.1.2)

宇宙所有运动形式都可归结为共核运动,包括且不限于以下形式:

天体公转 是相对于一虚点的周期环绕运动; 天体自转 是相对于一虚轴的周期旋转运动; 自由落体运动 是趋近一虚点的向心运动; 自由抛体运动 是远离一虚点的离心运动; 螺线旋转运动 是绕轴运动;

总之,所有旋转运动要么是绕轴运动,要么是绕点运动。

同时,水波、声波、电磁波等波动都是以震荡点为核心点的离心震荡运动;绳子震荡等震动波是以虚轴为核心的周期渐进运动;

特别提及的是:直线运动是平行于虚轴的等核心距离平移运动;而水平直线运动中的水平面是海平面,水平直线是水平弧线,地球上的水平直线运动的实质是绕地心的等地球半径的圆周运动。

因此,共核惯性运动的路径可以是曲线运动,也可以是直线运动;而速率可以是匀速运动,也可以是变速运动。

总之,宇宙一切运动的参照系不再需要去选定相对静止的参照系,而是把相对同一核心(点或轴)作共核运动,以同一核心为参照作共核运动的质量物体就构成 共核系

例如以地心或地球自转轴为核心构成的地月共核系;以日心或太阳自转轴为核心的太阳共核系等等。

24.3共核惯量守恒定律下引力常量的计算表达式

天体运动中,所有天体及其质量物体总是相对一个或多个核心在作共核惯性运动,无论是公转、自转和自由落体(抛体)运动,其任意时刻轨迹点上的共核常量恒等,因此有天体运动共核常量恒等方程,即:

(24.3.1)

在共核常量方程中,只要已知两个天体参数,即可求出任意一个共核系的共核常量值,当然,不同的共核系有不同的共核常量值,如图表(24-3-1)。

(24-3-1)

在共核惯量守恒定律下,引力常量的概念就是:

在确定的共核系中,共核常量与核心天体的质量比,就是引力常量,其表达式是:

(24.3.2)

例如:在地月系中,核心天体的质量是地球质量,因此,已知地月系共核常量和地球质量,即可求出引力常量,即:

(24.3.3)

再如:在共核太阳系已知共核太阳系常量值和太阳质量,则引力常量G是:

(24.3.4)

显然,共核地月系和共核太阳系是两个不同的共核系,共核常量和核心天体质量不等,但是引力常量却恒等不变。

为此,列表多个不同共核系引力常量与其它参量的关系表如下(24-3-2):

(24-3-2)

在上表中,不同的共核系中的共核常量值不同,核心天体的质量不等,但引力常量值恒定,这是因为任何一个共核系的共核常量恒定,而核心天体的质量不变,那么其比值必然是定值,这就是引力常量共核惯量守恒定律下的表达式的推导。

这样,引力常量从卡文迪许的扭称实验测定到利用公式计算得到,从而给出了引力常量数学表达式与本质诠释。

24.4 万有引力的本质就是共核惯量守恒定律下的运动力

在天体自转、公转和自由落体(抛体)运动都是共核惯性运动,有了共核常量恒等方程,那么这些不同运动形式的任意时刻轨迹点上就有确定的共核惯量值,即有:

(24.4.1)

在共核惯性运动中,任意时刻轨迹点上的共核惯量是守恒的,即单位质量物体的共核惯量是恒等值,但是天体公转运动一般是椭圆轨迹线的变速运动,而自由落体运动是加速的直线向心运动,因此其轨迹点上的运动速度和核心距离是不等的,因此其任意轨迹点上的能量也是不相等的。

而当认定力是物体运动具有能量后的作用效果,那么天体的共核惯性运动其任意时刻轨迹点上则具有力,这个力 叫做运动力。

把作共核运动任意时刻轨迹点上的共核惯量与核心距离平方的比,表示共核运动力中任意轨迹点力的大小,即运动力的表达式是:

(24.4.2)

容易发现,运动力计算具有多个表达式,而最后一项就是万有引力定律表达式,这实际上完成了运动力与万有引力的统一,表示在天体运动中存在永恒的共核运动,而共核运动在其任意空间位置点上具有运动力,而这个运动力就是引力, 这就是引力本质。

这样引力计算具有多样化和更简易的计算方式,并不一定需要引力常量。

经典物理学定义力是物体与物体的作用,而共核惯量守恒定律下确定运动物体则具有力,力是运动物体具有能量而具有的作用效果,是运动物体本身具有的,而非外来的超距力,物体相互作用不会产生力,但会实现力的传递。

必须明确:在经典物理学中定义质量物体相互吸引的引力是虚构不存在的,引力的施力物体是共核运动质量物体本身,而否超距的外在地球(天体或质量物体)所施加,正是因为虚构的引力与运动力大小相等,方向一致而被误读

确定核心为参照系后,宇宙所有天体或质量物体将永恒的作共核惯性运动而保持其共核惯量守恒,因此根本不存在静止状态的质量物体,而永恒的共核惯性运动则具有运动力,因此运动力无处不在而不会消失,当把运动力误读为引力后,引力自然也就无处不在,也无法摆脱。

关于引力本质问题的诠释和计算请读者关注并翻看合集内容第6篇和第23篇文章。

24.5如何诠释卡文迪许实验中的铅球互相吸引

质量物体并不产生相互之间的引力,或者说质量物体之间的超距的引力根本不存在,那么卡文迪许实验的扭称偏转又是怎么回事?又怎么能测量出引力常量呢?

首先必须明确的是:引力常量不是因为质量物体之间存在引力而具有,引力常量的本质是共核系变换或共核系相互作用时的一个显现量, 这涉及到共核系变换中的引力捕捉和引力弹弓效应。

任意一个独立的共核系都有其确定的共核常量,一个独立的共核空间所有质量物体相对同一核心作共核运动,当不受任何外作用下,其任意空间位置点的运动轨迹点的共核惯量守恒,共核常量恒等。

无论是天体还是质量物体,其邻近周边总是在一定范围内存在其它天体或质量物体,那么任何一个共核系的空间就不是无限的,而是受到邻近天体或质量物体的共核系共存挤压。

一个确定共核系与邻近共核系的空间区域分界线叫做 引力分界线。

在引力分界线内的共核系空间,其共核运动中的共核惯量守恒,而越过引力分界线后将受到外共核的干扰作用,表现出引力捕捉(吸引效应)和引力弹弓效应(弹斥效应)。

关于引力分界线、引力捕捉和弹弓效应请读者关注翻看第17篇文章,这里不再探讨。

这里仅分析卡文迪许实验中的大小铅球的引力效应:

大小铅球分别属于两个不同的共核系,平衡吊挂的两个小铅球具有作自由落体运动的惯性,被石英纤维丝吊挂处于平衡状态而被逼停止作自由落体运动,这构成一个共核系;

在其旁边放置大铅球这个共核系后,当接触距离很小到越过两个共核系的引力分界线后,将产生引力捕捉效应,从而使得扭称发生偏转,表面上看起来像大球吸引了小球,实际是两个共核系的相互作用。

对于任何一个空间的质量物体,它不仅相对宏观天体核心作共核运动,同时其内部还存在分子、原子相对为微核心作微观共核运动,这也是不可忽略的微观共核系。

在共核系变换过程中,可以通过扭称实验测定出共核系变换常量,这就是引力常量,虽冠名引力,实际不是引力作用,而是共核系变换中的共核动量守恒。(参看第15篇文章)