这题明明问的是介质中力的传播,结果高赞洋洋洒洒说了半天真空中力场的传播...
力在固体中的传播速度一般都很快,不容易察觉到,所以很多人都没有建立起“力的传播需要时间”这一概念。
如上图,你在固体的左边施加一个力,会立刻在左边造成一个位移。但这个位移想要跑到右边去是需要一个过程的,这个过程其实就是机械波的传播,速度为声速。
声速主要取决于材料的弹性模量(相当于中学物理中的弹簧劲度系数)和密度,弹性模量越大,密度越小,声速越大。
金刚石的弹性模量高,密度又小,因此金刚石中的声速非常快,大约在10~20 km/s。一般的金属(例如题中提到的铁)中,声速大多在几千米/s。
弹性模量无穷大的情况,就是我们做题时经常采用的刚体假设。这在现实中是不存在的,声速必然是一个有限的值,这个值肯定远小于光速。
多说两句,纵波和横波变形的方式不一样,纵波主要是拉伸/压缩变形,而横波主要是剪切变形。这两种变形方式分别对应固体的杨氏模量和剪切模量,二者并不相同,因此纵波和横波在固体中的传播速度并不一致。
纵波的速度通常快于横波,因此纵波往往会先到达。而在地震中造成破坏的主要是横波,因此我们可以利用先到达的纵波来预警,提醒人们疏散。
此外,由于液体/气体不能抵抗剪切力,因此不能传播横波。很多地质学家也是借助这一性质,来判断地核中心是固态还是液态。
就题目描述的这个问题来说,杆的弹力的传递速度是杆的材料的音速,远小于光速。除非是极长的杆,否则弹力的传递时间是可以忽略的,所以常见的题目都没有考虑这一点,而把杆当作绝对刚体。
其他的力,例如万有引力的传播是否可以超过光速,直到上世纪末,还是一个有争议的问题,据说近年来已经有实验证明,万有引力的传播速度和光速相等。