作用力与反作用力

   
    我们已经了解，力是一个物体对另一个物体的作用。所以只要有力的作用，就一定有二个物体同时存在。现在我们要讨论：当甲物体受到乙物体的作用时，乙物体是不是也受到甲物体的作用呢？这两个作用之间具有什么关系呢？让我们用一个实验来说明。
    将一块磁铁，一枚铁钉如下放置：

磁铁和铁钉

    先让小磁铁靠近铁钉，结果在小磁铁还未接触铁钉时就能把铁钉吸过来；再让铁钉靠近小磁铁，结果在铁钉还未接触小磁铁时也能把小磁铁吸过来。上面这个实验使我们得到这样一个结论：物体之间的作用总是相互的。也就是说，在甲物体受到乙物体的作用时，乙物体也受到甲物体的作用。 在这实验基础上，如我们进一步加上测量手段，最终可得到：两物体间发生力的相互作用时，作用力与反作用力大小相等，方向相反，且在同一直线上，并分别作用在两个相互作用的物体上。这一定律也被称为牛顿第三定律，是由科学巨匠牛顿在前人研究基础上总结提炼得到的科学定律。这是一个已被普遍验证的定律。它应用广泛，也是导弹、火箭等工作的基础。
    为了正确地理解作用力与反作用力定律，我们归纳下面几点：
    （(1）作用力和反作用力永远同时存在，同时消失。例如推车子时，人和车子就在相互作用。人作用在车子上一个力F₁，而车子也同时作用在人手上一个力F₂。人不对车子作用，车子也同时不对人作用。就人和车子来讲，可以有“主动”和“被动”之分，可是这决不是说，人作用于车子的力产生在先，而车子作用于人的力产生在后。实际上，在人对车子作用的同时，人就受到车子的作用。我们可以把人作用于车子的力叫做作用力，车子作用于人的力叫做反作用力，可是作用力和反作用力总是同时存在，同时消失的。

人推车子

    （2）作用力和反作用力的大小永远相等。例如，当人推车子时，不论车子是处于静止状态还是在运动，人推车子的作用力总是等于车子推人的反作用力。可能有人会产生这样一种错误的想法：当车子静止不动时，作用力和反作用力是相等的；当车子起动时，人对车子的作用应当大于车子对人的作用，否则车子怎么会起动呢？实际上，决定车子运动的只是作用在车子上的力，而决不能把作用在人身上的力也混在一起。现在车子除了受到人推它的力之外，还受到阻碍它运动的摩擦力，只有在人推车子的力大于摩擦力时，车子才开始运动。至于车子对人的作用只与人的运动有关，而与车子的运动一点儿也没有关系．
    （3）作用力和反作用力是分别作用在两个物体上的，它们不会平衡。能够平衡的两个力一定是作用在同一个物体上的，决不是一对作用力和反作用力。例如，上面讲的人推车子时，如果车子不动，那是人推车子的力和地面的摩擦力平衡了的缘故．这两个平衡了的力都是作用在小车上的，决不是人推车子的力和车子推人的力平衡。
    （4）作用力和反作用力总是属于同一性质的力。换句话说，如果作用力是摩擦力，反作用力也一定是摩擦力；作用力是弹力，反作用力也一定是弹力；等等。
    （5）描述力，除了大小还有方向。实验表明，作用力和反作用力作用方向相反且作用在同一直线上。火箭因喷射燃气而升空也是基于此。
    （6）在低速运动范围，不论是静止物体间的相互作用，还是运动物体间的相互作用；不论是匀速运动物体间的相互作用，还是加速运动物体间的相互作用；不论是持续的相互作用，还是短暂的相互作用；都遵循作用力与反作用力定律。
    有些现象，例如一个小皮球碰到一块大石头时会被弹出，这是因为石头对小球的作用使小球获得加速度，改变了运动状态，这很容易看出。但按作用力与反作用力定律，小球也同时对石头作用，怎么石头仍旧不动呢？这是因为石头的质量比小球大得多的缘故 。按牛顿第二运动定律F=ma，相同的力（F）作用在不同的物体上时，各物体获得的加速度（a）是和它的质量（m）成反比的。因此，石头受力后获得的加速度比小球获得的要小得多，加上石头和地面之间的摩擦力，石头的运动状态的变化就不显著了。 这一结论在军事上就有运用，如炮身的稳定。再如，自由落体，我们知道是受到地球吸引的关系，按照作用力与反作用力定律，地球吸引物体，物体也同时吸引地球，但是为什么我们只看见物体向地面落下来，而不看见地球向物体移动呢？这也是因为地球的质量比物体大得多，在相同的力作用下，地球所获得的加速度要比物体所获得的小得太多的缘故。
    作用力与反作用力定律虽看似简单，其实运用广泛，许多尖端项目的实现都有赖此定律。下面我们再举几个此定律的事例。
    （1）在水平桌面上放着的小球，为什么看不到重力对它的作用呢？桌面因为受到小球重量的作用就发生形变，同时发生了形变的桌面就对小球产生了一个与重力量值相等，方向相反的作用力——桌面的弹力。重力和桌面的弹力，同时作用在小球上，所以小球就在桌面上静止不动了。
    （2）人为什么能够跳高呢？人在地面上站着不动的时候，地面对他的作用力和他所受的重力是相等的。可是在他的肌肉活动起來以后他对地面可以产生比他本身重量大的作用力，那么地面对人的作用力也同样的大起來。这个时候，人所受的两个作用力就不相等了，也就是地面对他向上的作用力比身体受地球吸引产生向下的重力大了，所以人就能离开地面向上跳起來了。
    （3）炮身的反冲：炮弹裝进炮筒以后，火药爆炸所产生的大量气体，好像压縮弹簧一样，对炮弹和炮筒后部产生量值相等可是方向相反的压力。在炮弹和气体接触的地方，炮身和气体接触的地方，都按照作用力和反作用定律出現相互作用的力，最终通过炮膛内的压缩气体，这种作用就像炮弹和炮身直接相互作用一样。

大炮开炮时，炮身会有反冲，可用作用力与反作用力定律来解释并计算

    这样，若炮弹受力F₁=m₁a₁，炮身受力F₂=m₂a₂，如果忽略摩擦，可得m₁a₁=m₂a₂。炮弹和炮身在进行相互作用时，作用的时间是相同的，同时可认为在这段作用时间（t）内，它们所受作用力的大小保持不变，炮弹和炮身分别从静止到运动的加速度分别为a₁=υ₁/t，a₂=υ₂/t，υ₁,υ₂分别为炮弹和炮身的速度。则可得m₁υ₁=m₂υ₂，即炮弹、炮身的速度是和它们本身的质量成反比的。
    炮弹射出时，炮身发生和炮弹飞行方向相反的运动，这种运动叫做反冲，每一个炮手都会体验到这种反冲的力量。在开炮的时候，反冲力往往可以使炮身向炮弹飞行相反的方向移动几米远，但根据前面推导的公式m₁υ₁=m₂υ₂，因炮身与炮弹相比重得多，所以速度并不会很快，但炮弹就不同了，会飞速发射出去攻击目标。这样炮身就移动了，因此重新恢复炮身原來的位置和重新瞄准目标，就需要好几分钟的时间。
    可见，在火炮的设计上，作用力与反作用力定律是实现武器功能的理论基础之一。
    在枪械设计时，借助作用力与反作用力定律可实现武器的半自动化。具体实现上是利用子弹激发时的反冲來开关闭锁机。当子弹射出以后，闭锁机自动打开，于是子弹殼壳出來；子弹裝进枪膛后，闭锁机又自动关上。使用这种枪械，只要做裝子弹和扣扳机的动作即可完成射击，提高了武器的运用效率。
    （4）螺旋桨
    轮船或螺旋桨飞机是利用旋转的螺旋桨与和水或者空气的相互作用來产生推力的。其理论基础也是作用力与反作用力定律。当螺旋桨转动起來后，它对水或者对空气产生一定的作用力，按照作用力与反作用力定律，水或者空气反过来就給螺旋桨一个反作用力，因螺旋桨与船体或机体连在一起，也就等于給轮船或者飞机一个反作用力，这样，轮船和水或者飞机和空气就彼此向相反的方向移动起來。

现代无人机的旋翼就是螺旋桨的一种

    （5）火箭的推进
    火箭在前进的时候，不断地向后喷出气体，这气体是利用火箭燃料的爆炸而产生的。所以，火箭前进的原理与螺旋桨一样，也是利用作用力和反作用力定律。
    我們祖国在八九百年前的宋代已经发明了紙做的裝火药的爆竹（俗名叫做炮仗）。将其放在地面上， 通过点燃药线后引发内部装填火药的爆炸，可以升到高空去。另有一种俗称窜天猴的烟花，点着药线火药爆炸后，气体向下喷出产生反作用力，可以把它推到天空去。这都是些小型的火箭，因为火箭前进的原理和爆竹升高的原理是完全一样的。尤其是后一种，火药是连续爆炸的，所以可以升得很高，这就是火箭能够继续前进的道理。

窜天猴升空（其火药爆炸后引起爆炸气体向下喷出，同时烟花本体受到向上的推力）

中国火箭点火发射

    其实我们中华民族远比西方更早、更多对科学技术进行了研究和运用。几乎在发明炮仗的同一时期，作用力与反作用力定律就在武器上得到了体现。

    公元1161年12月，南宋军队用霹雳炮重挫敌军，这是人类历史上首次在战场上使用火箭武器。

    1259年，我国出现了突火枪，用来发射弹丸、瓷片、碎石攻击敌人，开创了世界上管形武器使用弹丸的先河。

    1332年，我国出现了铜火铳，是世界上最早的火炮。
    这些武器的出现，都建立在中华先辈科学研究和探索的基础上，也是对作用力和反作用力定律的具体应用。只是当时受限于工艺和材料科学，武器的强度和密封性尚弱，激发时反冲力与现代武器有差距，武器的攻击距离较近，威力与现代不能比。
    现代武器里有些是应用火箭的原理來制造的，像火箭炮就是其中的一种。这种炮的破坏力是相当大的。

火箭炮开火可对敌方造成极大的杀伤

    火箭推进的原理现在也用到航空技术上去了。

喷气式飞机

    像上面照片中的喷气式飞机就是应用火箭推进的原理制造的。在飞机上安裝一个或者几个喷气推进器來代替燃机和螺旋桨，就成了喷气式飞机。喷气推进器的头部有一个空气进口，中间有一个燃烧室，尾部有一个喷气出口。从空气进口进來的空气和燃烧室的煤油、柴油、酒精或者別的液体燃料混合起來燃烧以后，所产生的大量气体猛烈膨胀，有力地向后喷出，根据作用力与反作用力定律，就对飞机本体施加了很大的作用力。所以喷气式飞机能够达到和声速相近甚至超过的高速度，这一点在战争的时候是特別重要的。它的另一个优点是若能增加氧化剂，飞行器就能够在空气很稀薄的高空里，甚至在真空里飞行，这是普通飞机不可能做到的。它的这一种性质，使它能被利用來做 太阳系内各星球间的交通工具。