经典力学4.0动量定理与质心运动规律

文化   2024-07-12 16:23   吉林  

牛顿力学定律出发

在经典力学范围内,物质的质量是不变的,对于单质点运动而言,合外力F=0时,动量mv是一个常矢量,我们说这个质点的动量是守恒的。


如果F≠0,并且作用在物体上的时间为Δt,我们就可以对上式积分

I被称为力在Δt时间内的冲量,是质点动量的增量,上式表明外力的冲量等于质点动量的该变量,这就是积分形式的动量定理微分形式的动量定理是dp=Fdt。

这里的速度和位置都是矢量,可以在单独一个分量上有动量守恒,也可以在一个分量上运用动量定理。

仍然以平抛运动为例:
又是这个图,我们不必使用加速度来求解,平抛运动在水平方向上没有力,所以在水平方向动量守恒,在竖直方向受重力作用,用动量定理就有
我们注意到v和r的关系,所以可以把牛顿第二定律写成
看起来动量定理好像也没什么内容,就是力对时间的累加,但是如果一个系统拥有多个质点,就会变得很复杂,就需要给它简化。

在“牛顿力学”板块里,我提到了变质量问题的一个例题,这个问题在Δt时间内可以看成是一个多质点的问题,那么就要找一个看起来漂亮的方程。

如果我们考虑具有内力的多质点系统,比如有N个相互关联的质点,设第k个质点受到的外部力和第i个质点给它的相互作用内力分别为,外部力是指额外施加的力。


则每个质点的运用牛顿第二定律就有
再进行求和
因为相互作用力的特点是
最终得到
整理可得:
亦即
于是我们得到了质点系的动力学方程,其中

这个代表的位置就是这个质点系的质心,而就称为质心加速度。而下式

称为质点系的质心运动定律。也可以通过质点系的质心运动规律得到质点系的动量定理(微分形式和积分形式)。

就比如两个小球通过杆连接到一起,扔在空中,那么这个系统是如何运动的?
在空中的过程中整个系统只受到重力作用,那么这时候,我们就可以先求出系统质心的运动情况,再研究两个小球是如何绕质心运动的。

还有像是复合摆等,它们的运动可能是混沌的,但是它们的质心的运动是满足质心运动定律的。

注意到上面的推导是针对分立的质点,那么对于连续的质点系又如何计算质心的?

对于连续的质点系,可将其看作由无数个分立质点组成的,则有
其中r是dm所在的位矢,积分遍及整个质点系。质心位矢是个矢量,也可以在分量上来求:
积分要比求和省事多了。

有了质心位矢,就得有质心速度和质心加速度,质心的速度和加速度仍然满足微分关系:
这样我们就得到了质心速度、加速度在整个质点系在分立情况与连续情况分别是如何表示的:

有了质心,我们就可以得到质心动量定理的描述,由质心运动定律
并将其积分,得到
这就是质心的动量定理

如果合外力为0,则质心动量守恒。

但当我们研究火箭发射问题时,我们关注的并不是质心,而是分离开的两部分,所以还要一个质点系的动量定理:
这个在变质量问题上有很大作用。

当外力为0时,质点系的动量守恒。

当然,以上的动量定理和动量守恒定律需要有几项注意:
(1)这些都是由牛顿运动定律得出来的,所以只适用于惯性系,如果在非惯性系中,需要将惯性力作为外力加入。
(2)动量守恒的条件是合外力为0,但在合外力远小于内力的情况下也可近似动量守恒。
(3)这些定理和定律中所有质点需要在同一个参考系中。
(4)在高速运动的情况下,质量与是速度有关的。

相关话题:经典力学

Cosmos and Us
物理是世界上至高无上的艺术。在这里,我会谈论这个世界中最基本的艺术:一种叫做物理学的艺术。这里有宇宙诞生、基本粒子与宇宙结构、天体塌缩到黑洞、黑洞蒸发的故事。我会从大爆炸说起,直到现在,到……未知的未来……以及谈论科学与我们的生活。
 最新文章