变质量系统问题在大学物理中是个难点,但它的本质还是牛顿力学。
但这里,我们从最原始的牛顿第二定律出发,即
在文章动量定理与动量守恒定律结尾,提到了质点系的动量定理的积分形式:
但一般情况下,我们真正要用的是微分形式,以两体分离为例,一块质量为m的物体分成m1和m2两块物体的运动分离的一瞬间,先将它们分开来分析:
但我们研究的是一个动态,若为主体,并且主体质量的质量以速率并以速度u流出, 是负的,忽略二阶小量,那么在dt时间内的dp就是
其中u-v0是分离部分相对于主体的速度,于是
每个时刻的可以使用的具体形式得到,于是这个问题就变成了v的一阶非线性微分方程。
式子第一项表示主体部分动量变化率,第二项的-dm1·u是附体部分的末态动量,其初态动量被包含在第一项中。
或者展开写成,这个方程叫做密舍而斯基方程,也就是书上的变质量物体运动方程。等式右侧第一项表示附体对主体的作用力。
以典型火箭问题为例,它是质量流出模型:火箭在均匀引力场下升空,初速度为v0,初质量为m0,火箭外壳的负载质量为m1,燃料经时间τ燃烧完,喷气的相对速度为vr,求火箭的速度。
使用式:
其中有
带入方程有
整理得到
对时间积分
积分从t=0到τ,就得到
这个结果与普物书上一致。
在牛顿力学中,还有一个遗留的问题:
第一问很简单:
第二问就涉及到质量增加的变质量运动模型了
u相当于吸附部分的初速度,恰好为0,所以方程变为
于是就得到了雨滴任意时刻的速度。
第三问的加速度就是第二问的v对时间求导。
或者使用密舍而斯基方程,其中u=0,可以得到,也是同样的方程。
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