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科学需要理智的分析:对角动量守恒的深入分析
[楼主] 作者:yanghx  发表时间:2002/10/07 20:33
点击:327次

1、如果在地面惯性系下,不引入“惯性力”,则有:
径向:Fn= m(ρ''-ρww)
横向:Ft= m(ρ'w+ρw')

因为在:
径向:有实际的绳子拉力(-mρww)存在:(-mρww)≠0,
横向:则没有实际的“实绳力”【mρ'w】存在,【mρ'w】=0,
式中的第一项m(ρ'w)实际起到了“虚绳”的作用,
是它提供了一个“虚绳力”m(ρ'w),

2、如果在旋转的“非惯性系”中,引入“惯性力”的概念,
则:
径向:Fn= mρ'',
横向:Ft= m(ρw')
此时可以不考虑那两对互相平衡的惯性力和绳力,
即:在横向可以不考虑径向速度Vn产生的影响,
如同此时不必在径向考虑横向速度Vt产生的影响一样,

3、当外加作用力与“惯性力”方向相同时:
径向:Fn= mρ'' + mρww,
横向:Ft= -m(2ρ'w+ρw')

4、当外加作用力为零时,只剩下惯性力:
径向:Fn= mρww,
横向:Ft= -mρ'w,
此时小球就要在径向产生离心加速运动,Vn的大小会变化,
而在横向的加速运动不会影响横向速度的大小|Vt|,

5、放松绳子的情况比较特殊: 径向:Fn= T-mρww≠0,且mρww>T, 横向:Ft= -mρ'w, 以后再分析了,现在只分析有径向外力fn存在的情况, 比如收紧绳子或星系爆发时产生外推力的情况,

分析如下:
===========================================================
以下是书中给出的基本分析:
极坐标下的基本变换规则:
径向分量:X*i,
横向分量:X*j,(圆切向分量)
di/dt=w*j,
dj/dt= -w*i
质点位矢:r=ρi,
v=dr/dt= d(ρi)/dt=ρ'i+ρi'=  (ρ')i + (ρw)j
a=dv/dt= d(ρ'i + ρwj)/dt
=(ρ'i)' + (ρwj)'
=(ρ''i + ρ'i') + [ρ'(wj) +ρ(wj)']
=(ρ''i + ρ'i') + [ρ'(wj) +ρ(w'j + wj')]
=(ρ''i) + 【ρ'i'】 + (ρ'wj) + (ρw'j) + 【ρwj'】
=(ρ''i) + 【ρ'wj】 + (ρ'wj) + (ρw'j) + 【-ρwwi】
=[(ρ'')-【ρww】]i  +  [【ρ'w】+(ρ'w)+(ρw')]j

所以:
Vn=(ρ')i,
Vt=(ρw')j
Vn'=(ρ''i) +【ρ'wj】
Vt'= -【ρww】i + [(ρ'w)+(ρw')]j
|Vn|'= (ρ')'= ρ'',
|Vt|'= (ρw')'= (ρ'w)+(ρw'),
an=[(ρ'')-【ρw'w'】]i
at=[【ρ'w】+(ρ'w)+(ρw')]j


==================================================================
我的进一步分析:
其中的【-ρw'w'】i 和【ρ'w】j是与“惯性加速度”相平衡的实际加速度,
比如m【-ρw'w'】i 就是绳子中的实际向心力,
但是并没有绳子产生的实际力:m【ρ'w】j,
即:
实际上没有一个与“惯性力”m(-ρ'w)j相平衡的“实绳力”m【ρ'w】j,

那么在旋转的“非惯性系”中,引入“惯性力”后就有:
径向:
Fn= m[(ρ'')-【ρw'w'】+ρw'w']= mρ'',
横向:
Ft= m[【ρ'w】+(ρ'w)+(ρw')-ρ'w]
=m[0 +(ρ'w)+(ρw')-ρ'w]
=m(ρw')

由实际的横向力Ft=0得:
Ft= m(ρw')= 0,
即:ρw'= 0,
即:ρw'= э(ρw)/эw= э(Vt)/эw= 0,
即:Vt=C常数,

=============================================
注意:
1、这里是把ρ作为常数看待的,
才有:ρw'= э(ρw)/эw,
因为在(ρw)'= (ρ'w)+(ρw')中,
实际是运用“全导数公式”:
f(x,y)=эf/эx + эf/эy,
即:
d(ρw)/dt= э(ρw)/э(ρ) + э(ρw)/э(w),
由偏导数的定义:
эf/эx = lim[f(x+Δ,y)-f(x,y)]/Δx,
эf/эy = lim[f(x,y+Δy)-f(x,y)]/Δy,
可知:“只对所论变量求导,另一变量看成常数”,
所以在(ρw)'= (ρ'w)+(ρw')中,
第二项ρw'中的ρ可以看成是常数,
才有:ρw'= э(ρw)/эw成立,
由于实际的ρ≠0,w'≠0,
所以只有ρw=C常数,才可能有:э(ρw)/эw=0,

2、当外加作用力与“惯性力”方向相反时,
横向加速度的一部分(ρ'w)提供了一个“虚绳力”,
即前面说的:
如果不引入“惯性力”,则有:
径向:Fn= m(ρ''-ρww)
横向:Ft= m(ρ'w+ρw')
因为在:
径向:有实际的绳子拉力(-mρww)存在:(-mρww)≠0,
横向:则没有实际的“实绳力”【mρ'w】存在,【mρ'w】=0,
式中的第一项(ρ'w)实际起到了“虚绳”的作用,
是它提供了一个“虚绳力”(ρ'w),

3、当外加作用力为零时,只剩下惯性力:
径向:Fn= mρww,
横向:Ft= -mρ'w,
此时小球就要在径向产生离心加速运动,Vn的大小会变化,
而在横向的加速运动不会影响横向速度的大小|Vt|,

==============================================
这意思是说:
圆周运动的“惯性离心力”(mρw'w')有绳子中的m【-ρw'w'】向心力来平衡,
可是“惯性横向力”(-mρ'w)却没有绳子产生的m【ρ'w】反横向力来平衡,
于是小球在横向只受到一个“惯性力”(-mρ'w)的作用:
Ft=(mρ'w)
这个“惯性力”Ft=(-mρ'w)产生的横向加速度是:
Ft=(mρ'w)=m*Vt'
即:
m(ρw)'= m[(ρ'w)+(ρw')],
上式成立的条件是:ρw'=0,
所以“惯性力”(-mρ'w)只能与m*Vt'的一部分m(ρ'w)相平衡,
而这一部分m(ρ'w)对横向速度的模|Vt|没有任何影响,
它是用来改变径向速度Vn方向的,所以最后在引入“惯性力”后得到:
径向:Fn= mρ'',
横向:Ft= m(ρw')
即此时可以不考虑那两对互相平衡的惯性力和绳力,

由此还可知:
当外加横向力Ft与“惯性力”(-mρ'w)方向相反时,
在横向可以不考虑径向速度Vn产生的影响,
如同此时不必在径向考虑横向速度Vt产生的影响一样,

而“小球-绳”模型主要是考虑如下情况:
当外加横向作用力ft=0时,只剩下横向惯性力:
横向:Ft= -mρ'w,
而它不会影响横向速度的大小|Vt|,
如前面分析论证的|Vt|=C常数,

====================================================
如果在地面惯性系下,不引入“惯性力”,则有:
径向:Fn= m(ρ''-ρww)
横向:Ft= m(ρ'w+ρw')

因为在:
径向:有实际的绳子拉力(-mρww)存在:(-mρww)≠0,
横向:则没有实际的“实绳力”【mρ'w】存在,【mρ'w】=0,
式中的第一项(ρ'w)实际起到了“虚绳”的作用,
是它提供了一个“虚绳力”(ρ'w),

由Ft=0可得:
ρ'w + ρw'=0,
即:ρ'w = -ρw',
这同样是线动量守恒|Vt|=C常数所满足的条件,
证明以给出过了,不再重复,可以到“质疑:角动量守恒”论坛查看:
http://yanghx22.bbs.xilu.com

本帖地址:http://club.xilu.com/hongbin/msgview-950451-23090.html[复制地址]
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[楼主]  [2楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/10/07 21:50 

一点解释:惯性力(-mρ'w)只能使Vn或ρ的方向变化率w变化

一点解释:
惯性力(-mρ'w)虽然不能改变|Vt|,
但是它使得Vn或ρ的方向变化率w变化了,

比如拉紧绳子时,
这个“惯性力”(-mρ'w)使得角速度w变快了,
这就是Vn或r的方向改变率加快了,
但是横向速度的模|Vt|保持不变:
э(ρw)/эw=0,
此式的意思是:角速度w对(ρw)=|Vt|没有影响

而“小球-绳”模型主要是考虑如下情况:
当外加横向作用力ft=0时,只剩下横向惯性力:
横向:Ft= -mρ'w,
而它不会影响横向速度的大小|Vt|,只会使w---方向变化率增加,
如前面分析论证的,虽然w变化了,

但是:
1、在旋转的“非惯性系”下,
必须满足以下条件:
э(ρw)/эw=0,Vt=C常数,

2、在固定的惯性系下(不考虑“惯性力”),
必须满足以下条件:
(ρ'w)+(ρw')=0,

这两个条件都是“线动量守恒”所满足的,
而这两个条件都是“角动量守恒”所不能满足的,

 

 

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