​多粒子系统的质心

学术   教育   2024-07-26 10:39   广东  

利用质心的定义,计算了当九星连珠时太阳系的质心的位置。

在《质心参照系》一文中,我们定义了多粒子系统的质心,它的位矢是系统中各个成员粒子的位矢以其质量为权重的加权平均:

我们还给出了计算系统的质心位置的简单实例:一个双粒子系统的质心。在这个实例中,我们取质心参照系作为计算质心位置的参照系,并且把坐标系的原点取在质心处。参照系和坐标系的这种选择方式,对双粒子系统是方便的。但是,对于由多个粒子组成的系统,由于质心的位置是一个需要计算才能获得的量,把坐标系的原点取在质心处,就显得很不方便。

其实,坐标系的原点还有一种方便的选取方法:将原点放置在系统的某个成员粒子上。

还是以双粒子系统为例,取两个粒子的连线为 轴,如果将坐标系的原点放置在第一个粒子处,从第一个粒子指向第二个粒子的方向为坐标轴的正方向,则
根据质心的定义,两个粒子的质心的坐标
于是,质心离开两个粒子的距离分别为

所得到的结果与把原点放在质心上得到的结果一致。

可以把这个方法拓展到由多个粒子组成的系统,计算九星连珠时太阳系的质心。

设想太阳系只有太阳和九大行星 (把冥王星也算上),假定九大行星全部位于太阳的一侧,并且排列在一条直线上,我们要计算在这种情况下太阳系的质心。

取行星排列的连线为 轴,原点放置在太阳的中心,取从太阳指向行星排列的方向为坐标轴的正方向。在坐标系的这种选择下,太阳的位置坐标 ,质心的坐标
接下来的事情就是查找九大行星的质量和距离的数据,代入上述表达式中,算出质心的坐标。这件事情就请大家各显神通吧,具体的计算结果是: 文单位。

天文单位是天文学家用来量度太阳系内天体之间距离的一种计量单位,一个天文单位等于日地之间的平均距离,大约为 1.5 亿公里。因此,太阳系的质量中心离开太阳中心的距离大约为 150 万公里。太阳的半径大约是 70 万公里,这意味着在九星连珠的时候,太阳系的质心位于距离太阳中心大约两倍太阳半径的位置。

需要说明的是,在查找资料的时候,你可能会遇到用各种不同计量单位表示的数据。距离的数据有可能使用千米或者天文单位做计量单位,而质量的数据则会使用千克或者地球质量做计量单位。无论使用何种数据,在计算的过程中保证各个物理量使用一致的单位就可以了,不必强求使用哪一种计量单位,你自己觉得便于计算就行。

太阳系是一个动态的系统,由于行星的运动不一致,各大行星的相对位置在不断地变化,这导致它们的质量中心也在不断地发生改变。由于这个原因,上述计算结果并不能算作一个严肃的科学论断,其作用只是示意性的,充其量也就是一个有趣的数字游戏罢了。

以上给出的计算质心位置的方法,适用于由一个一个分立的质点组成的系统。如果一个系统 (物体) 的质量是连续分布的,则计算的原则并没有改变,但是数学方法不一样。在这种情况下,首先把要研究的物体分割成一小块一小块,每一小块的质量为 其上某点的位矢为 在这种分割中,如果每一小块都很小,它们就都近似地是质点。根据质点组的质心的定义,这个物体的质心的位矢

现在,对要研究的物体做无穷分割,使每一小块的体积趋于零。在这样的无穷小分割下,每一小块就是一个严格的质点。于是,质心位矢的求和式过渡到积分式:

对于质量分布形式不同的物体,上述积分表达式中质量的微分 有不同的表述方式,具体的表达式待相应的问题出现时再做细致讨论吧。在当前,只要对上述积分表达式所展示的物理图象和各个量的物理意义有一个初步的了解就足够了。
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