经过与physic先生的争论探讨,得出如下初步结论:
“角动量变化率”的极坐标形式:
dL/dt =d(r×mv)/dt
=d(r*vsinθ)/dt
=m d(r*Vt)/dt
=d[r*m(rw)]/dt
=m d(rrw)/dt
=m[rr(dw/dt) + w2r(dr/dt)]
=mr[rw' + 2wr']
=r(mrw' + 2mVn*w )
可参考:《理论力学》肖家鑫 , 第12页
其中
第一项:
mrw':是使角速度w改变所需的切向力,
由于在“绳变”过程中,r≠0,ω≠C常数,
所以这一项mrw'≠0,
第二项:
mVn*w:是使径向速度Vn方向改变所需的切向力,
(注意:在极坐标系中,r'是矢径模|r|的变化率)
由于在“绳变”过程中,ω≠0,Vn≠0,
所以这一项2mVn*w ≠0,
结果是:
Ft= m[r(dw/dt) + 2wVn]≠0,
由于Ft不通过圆心,所以必然有:
dL/dt=r×Ft≠0,
即:角动量不守恒:L≠C常数,
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“线动量变化率”的极坐标形式:
d(mVt)/dt =d[m(rw)]/dt
=md(rw)/dt
=m(r'w + rw')
由于Vt=ro*wo=rw=C常数,
所以有:r'w = rw' (推导见附文),
而且:当w与w'同向时,r'与r反向,反之亦然,
所以考虑方向后有:r'w = -rw',
即:r'w + rw'=0,
所以得到:
d(mVt)/dt =d[m(rw)]/dt
=md(rw)/dt
=m(r'w + rw')=0,
所以:
mVt=C常数,线动量守恒得证,
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附:<推导r'w = rw'>
假设线动量守恒:
m*Vt= m(ro*wo)= m(r*w) =C常数,
即:ro*wo=r*w,
可得:
r=ro*wo/w,
w=ro*wo/r,
r'= -(ro*wo)w'/w^2,
w'= -(ro*wo)r'/r^2,
两式相除得:
r'/w' = (w'/ww)/(r'/rr),
即:r'r'/w'w' = rr/ww,
两边开方得:
r'/w' = r/w,
即:r'w = rw',
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另外,书中所说:
4.3.2 力矩与角动量定理
我们知道,一个质点的动量对时间的变化率
是由质点受的合外力决定的。
那么,角动量的时间变化率又由什么决定呢?
由角动量定义可写出角动量的时间变化率为:
dL/dt =d(r×mv)/dt =r×d(mv)/dt + dr/dt×mv,
由于dr/dt=v,由矢积性质得:
(dr/dt)×mv=0,又由于d(mv)/dt=F,
所以有:
dL/dt=r×F
当F过圆心时,有dL/dt=0,
即角动量守恒:L=C常数,
以上参见:
《大学物理导论》上册160页 清华大学出版社
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在“球+绳”模型中,当绳长变化时,
v是螺旋线的切向速度,
所以书中说的:d(mv)/dt=F≠0,
F=Fn= Fn*cosθ+ Fn*sinθ (矢量和),
第一项:Fn*cosθ 使v的大小发生变化,
第二项:Fn*sinθ 使v的方向发生变化,
即:
Fn*cosθ是对螺旋运动的切向力Fvt,与半径r不垂直,
Fn*sinθ是对螺旋运动的向心力Fvn,与半径r不同向,
但是:r×F= r×(Fn*cosθ+ Fn*sinθ)
=rFn*cosθ*sinθ - rFn*sinθ*sin(90-θ)
=rFn*cosθ*sinθ - rFn*sinθ*cosθ =0,
由:
rFn*cosθ*sinθ - rFn*sinθ*cosθ =0,
可得:
r*Ft= r(Fn*cosθ*sinθ - Fn*sinθ*cosθ) =0,
这表示:Fn在“圆周分运动”切向(Xt方向)上的合力Ft=0,
当然,由于Fn通过圆心,
所以“圆周分运动”的切向力Ft当然应该为零,
可是如果:Ft=0,
则:at=dVt/dt=0,Vt=C常数,
由角动量的定义可知:
L =r×mv =mr*vsinθ =mr*Vt,
如果Vt=C常数,就必然有:
L =r×mv =mr*vsinθ =mr*Vt≠C常数,
因为Vt=C常数,而r显然是变化了的,
将出现自相矛盾的结果,
即:如果Ft=0,
那么等式两边同乘以r同样得:r*Ft=0,
而Ft=0 是线动量守恒要求的条件,
r*Ft=0 是角动量守恒要求的条件,
所以用直角坐标系反映不出由于r改变对两种守恒假设的影响,
推导的结果是:截然对立的两种守恒都是成立的,
类似的情况还有:
当r不变时,
小球发生碰撞后的线动量和角动量都是守恒的,证明从略,
所以看来,
还是要以极坐标的证明方法为准?
这样才能看出问题、见出分晓?