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牛頓第二運動定律：對物體施力，物體的加速度會與所施的力成正比、與物體的質量成反比
選錯車廂，危險多出好幾倍
大概沒有其他的概念像「力」一樣，在日常生活中被大量使用著，但問到其意義時卻會讓人不知道該怎麼回答。
什麼是「力」？
像「用力毆打」、「藉噴射水流的力道快速去除汙垢」或「以孩子的力氣打不開的瓶蓋」等描述中所提及的「力」，跟物理學上的用語定義幾乎是相同的—指的是施加於物體或對象，使其因而移動、被擊飛的概念（也可能會有像打不開的蓋子一樣，無法使目標移動的情況）。
「電池快沒力的時候，鬧鐘的聲響也會越來越沒力」、「以地熱的力量來環保發電」或「即使到了第九局，投出的球依然很有威力」等，就與教科書裡「力」的用法有些許意義上的差異。電池的力或地熱的力，比較接近物理名詞「能量」的定義，而球的威力則可以替換成「運動量」的概念。
至於像「活力洋溢的藝術作品」或「全公司上下，同心協力突破難關」等「力」的用法，就已經不只是微妙，而是完全脫離了物理學的範疇，即使替換成其他用語也無法在教科書裡找到對應的概念了。就算詢問藝術家或董事長，這裡的力是什麼意思？是否在物理學上有了新發現？肯定也不會有答案。
而「老人力」、「鈍感力」或「女子力」等，更是完全讓人弄不懂是什麼力了。感覺好像是種一使用便會給四周的人帶來困擾、很麻煩的力，但真的是這樣嗎？
建構力學體系的「牛頓」
「力」這個詞語被濫用的情況，不僅存在於現代用語中；在古今中外的各種語言裡，都意義不明地被廣泛運用著。因為人們在「力」還沒有物理學定義之前就開始使用這個單字，所以當然會導致這樣的狀況（即便如此，不在乎定義，隨便使用「力」這一詞的人今後應該還是很多吧）。
十七世紀的歐洲，出現了一位名為艾薩克‧牛頓（Isaac Newton，一六四三～一七二七）的科學家，他明確地對力下定義、建構被稱為力學的知識體系，導正了有史以來的混亂現象。
牛頓認為，物體—亦即質量在加速時，其中就有力在作用。力擁有讓質量加速的效果，以公式來表現就是：
力＝質量×加速度。
這就是運動的第二定律（Newton's second law of motion），也稱為運動方程式。看到終於有公式出現，各位讀者應該安心些了吧。利用這個公式，可以從加速來對力做出定義。牛頓的運動的第二定律就是力的定義，這讓原本混亂不清的力從此有了明確的概念。
車體越輕，速度越快
所謂的加速度，指的是速度的變化。當停止中的物體（速度為零）受到力的作用開始移動，速度就產生變化。受到的力越大，速度的變化也會越大。如果力是一百倍，加速度也會是一百倍。舉個例子，請試著算出汽車在最大加速時的力有多少吧。
一般的汽車，把油門踩到底，從靜止狀態到最高速度（約時速一四○公里），大約要花十秒鐘（在現實中，這種可能會造成犯罪的加速法，不管哪個家庭都不會輕易嘗試）。時速一四○公里，換算成秒速大約是四十公尺。花十秒鐘到達這個最高速度，代表加速度為四公尺／秒。
踩下油門，每秒送往引擎的汽油都會增加、引擎的輸出提升、輪胎緊抓著地面帶著車體加速移動。此時以運動的第二定律來計算力的大小，得到的數值是四千牛頓。「牛頓」是力的單位，一牛頓指的是給予一公斤質量以一公尺／秒加速度的力。至於這單位的由來應該就不用解釋了吧。
換句話說，把油門踩到底時，汽車的加速力約為四千牛頓。只不過，這是在汽車的質量設定為一千公斤，也就是一公噸的情況下。
能輸出相同力的引擎，若搭載於更重的車體上，加速度就會變小；在更輕的車體上加速度則會變大。
有些人偏愛能產生較大加速度的汽車，想提高加速度，就應該選擇較輕的車體，這跟使用更強力的引擎的效果相同，其原因就存在於運動的第二定律當中。正因如此，在F1賽事中，如何讓車體儘可能地減輕就變得很重要。
對我們而言，這些都是日常中理所當然的事情，但在牛頓生活的當時，都是以人力、馬力或牛力來進行運輸，幾乎不會遇到物體會以一定的加速度移動，更別提力的定義尚未確定，大家都任意地使用著力這個詞彙的情況下，竟然能夠導出第二定律來，不禁讓人佩服牛頓的天才。
發生衝撞，後方車廂傷害較少
而若力與加速度呈比例的話，加速度減小則力也應該會減小——也就是說，力會變小。
請以多節車廂所組成的列車來思考看看。在車站停車或發車時，當車體加速，乘客也會隨之加速，並感受到力的作用。請先記住一點，因為體重的不同，乘客所感受到的力也各有差異。在一般的情況下，加速、減速時，不論在哪節車廂所受到的力都相同。接著，再來思考當列車撞上障礙物時被迫停下的情況。
當發生衝撞時，最前方車廂幾乎立刻就停下。因為移動中的車廂突然停止，所以（負的）加速度會非常大。另一方面，雖然前方車廂已經撞上，但後方車廂在短時間內，依然會朝著障礙物持續移動。移動的時間只要把列車的長度，除以列車速度就大概可以得出。
因為後方的車廂從移動到停止前的時間較長，所以其加速度也會變小。粗略計算，如果是十節車廂的列車，後頭的車廂受到的加速度，會是前方車廂的十分之一倍。也就是說，後方車廂受的力，只有前方車廂的十分之一左右。
在衝撞意外的情況下，身處後方的車廂所受的損害會比較少。遠離前方車廂遠離災難，這就是來自運動的第二定律的教導。
作者介紹│小谷太郎
專精宇宙科學研究與相關裝置開發，東京大學物理學博士，曾任職日本國立理化學研究所、美國NASA太空飛行中心、東京工業大學、青山學院大學、早稻田大學等大學研究員。
本文經授權轉載自方言文化《臥底身邊的科學秘密：選錯車廂，危險多出好幾倍！》
責任編輯/ 林安儒
