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经改造的绳球模型,大家来求解吧.
[楼主] 作者:正和  发表时间:2006/06/23 13:17
点击:471次

原来的匀速收绳的绳球模型中,如果小球的初速度不满足特定要求,匀速收绳是做不到的,这会产生速度的突变,产生无穷大的力.
现在将问题改造如下:
长度为2L的轻质柔软细绳穿过水平光滑板上的一个小孔,绳的中点就在小孔处,并且在小孔处用夹子夹着不能移动.
绳的上端系着一个在水平板上以速率v做匀速圆周运动且质量为m的小球,绳的下端系着一个静止地悬着的重量为mg的小球.
松开小孔处夹着绳子的夹子,让绳子可以无磨擦地在小孔中滑动.
试求两个小球各自的运动方程.
这个模型的第一个目标的是让大家看到,对水平面上的小球而言,收绳力做功.其次,让大家做一次牛顿力学和数学的综合练习.
不夸张地说,连这种题也解不了的人,最好还是别做物理学研究.
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 [2楼]  作者:angelury  发表时间: 2006/06/23 14:38 

此题太烦琐了,建议举荐奥林匹克选题之中,解出这题,只运算也要分好几段。情况也会比较多。请多给定条件再来计算!

※※※※※※
中医理论远在千年之前就比现在的西医先进无数倍。 易学-牛顿力学-相对论-维构论-...>0 先进=简单,这我也知道,但为何竟是易学?!
 [3楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/23 15:49 

下落小球会自己停止下落吗?

假设小球的离心力小于向心力:mv0v0/r < mg,(否则小球不是飞走就是不动)
假设球1是旋转球m1,另一个是m2,两球做加速运动,
初始径向加速度是:r"=|a|=mg - mv0v0/r 径向初速度u= (mg - mv0v0/r)t 就不知道以后加速度是否会变呢?小球m2会自己停止下落吗?

如果m2不能自己停止下落,那怎样使m2逐步停止下落呢?
用一个弹簧垫在下面?直到弹力=重力:kx=mg
这样看来一旦失去了径向速度u,可就只是剩下切向速度v0了?
(轨道切线速度v=v0+u  矢量和)

我想了一下,虽然球是以v切入小圆的,但是由于小圆的半径r不变了(不拉绳了),
可螺旋线的r还要以惯性减小,结果绳力小于离心力,
所以还是离心力使得小球做径向的减速运动,振动数次后使得径向速度u=0,
比如你的模型中如果不用弹簧减速,而是用一个卡子使得m2落地后就被固定,
那么m1就会出现我说的“衰减振荡”使得最后的u=0 ?
不夸张地说,小球m1恐怕不会自己停下来?

最简单的一个实验就是:当小球旋转时,用力收一下绳子,
都知道当一个物体受力平衡时,我们一般只要加一点点力,
这个物体就会开始运动,并且移动一段距离才因为摩擦力停下来,比如一辆玩具车吧,
可是这里的旋转小球怎么不会如此呢?按说离心力不是与向心力平衡的吗?
这就是离心力代替了“摩擦力”,很快就让小球停止了拉动方向的惯性运动,
那么剩下来的恐怕也只能是原来的圆周线速度了?

行星的情况比较复杂,可能还要另外考虑?

 

[楼主]  [4楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/23 16:34 

条件已经足够,无需增加冗余条件
因为要用到微积分,所以不能作为奥赛题.
[楼主]  [5楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/23 16:37 

不考虑磨擦力,题中很明确地指出了是光滑平板,绳无磨擦滑动.
经改造的绳球模型,大家来求解吧.
 [6楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/23 19:17 

我知道没有摩擦力,关键是离心力(mv0v0/r)是否会增加?
那就是离心力=向心力:mv0v0/r  = mg, 触动小球m2一下,m1就以某个u做径向匀速运动,m2以匀速u下落? 我的问题是:离心力(mv0v0/r) 是否会逐步增加? 以至于m1不借助于外力而停止径向运动? 即这个u是否会变?最后有u=0?
[楼主]  [7楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/23 21:29 

你问的正是要求解的东西,难道你要我事先给定吗?
经改造的绳球模型,大家来求解吧.
 [8楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2006/06/23 22:08 

不考虑摩擦力行吗?摩擦力不可能不存在,你连题都不会出!不要说我强词夺理
不要说我强词夺理,我过去用电梯悖论让你无法回答,你就挑问题的毛病,说引力场强上下时间不可能一样快,不可能存在匀速运动。 另外, 爱因斯坦的广义相对论提出引力场等效于匀加速上升电梯内的效果, 按照正和的逻辑,爱因斯坦的广义相对论也不能成立, 因为电梯可以匀加速运动,加速度上下可以相等, 引力场哪有上下相等的? 为什么我提出的电梯悖论中你不允许问题理想化, 你提的问题就可以理想化了? 爱因斯坦的等效原理把问题理想化,你为什么不反对?
 [9楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/23 23:32 

不夸张的说,你这个改进模型很不错

相信你也知道我的意思了?问题出在哪里呢?探讨着看吧,不许太夸张了哈?
我想来想去还是首先要多谢你想出这个改进模型,使得匀速收绳成为可能,

其次,
一、这种情况下的小球m1的轨迹就肯定是一条“等角螺线”(对数螺线)了,
其极坐标形式为:r=ae^kθ
最大特点是:
该螺线上任意点P的切线与极轴(r方向)的夹角φ都相等:φ=C,
所以被称为“等角螺线”(又叫对数螺线),
这意味着该曲线与圆心在极点O的圆不可能有“公切点”(除非u=0),
所以小球不能以 v=v0+u 切入小圆轨道,
只能与小圆轨道相交后,由离心力提供径向减速力,
最后使得径向速度u=0后,才能进入小圆轨道,

该螺线的另一个特点是(推论):
该螺线上任意点P的切向分速度v0与径向分速度u之比不变,
因为:v0/u = tgφ =C
只要u不变,v0也不会变,当u逐步减小到零时,φ也同步减小到零,
于是大圆和小圆的线速度都是v0,
这就保证了“切向动量守恒”在此情况下成立:r*ω=C=v0

另外,由于在小球沿等角螺线的运动过程中,
总有:离心力=向心力:mv0v0/r  = mg,
所以沿轨道切线方向上的合力为零,即总有:
v= v0+u =C(常数)
|v|=sqr(v0v0 + uu) = C

但并不是所有的轨道都满足“切向动量守恒”,
目前看,似乎只有等角螺线可以满足“切向动量不变”,
不过自然界中存在着大量的等角螺线,动物中有贝壳、鹦鹉螺、象鼻、
一些动物的角与毛等,植物中有向日葵、凤梨、雏菊等,
还有就是一些旋转星云等,总之不夸张的说:圆只是一种特殊的等角螺线,


===========================================================
那么什么轨道不满足“切向动量守恒”呢?
只要螺线上任意点P的切线与极轴(r方向)的夹角φ不是常数:φ≠C,
或者离心力≠向心力:mv0v0/r ≠ mg,
就难以保证“切向动量不变”了,因为:

1、由于φ≠C,切向分速度V=v*sinφ ≠ C = v0,
即使没有切向力的作用,切向速度 V=v*sinφ 也会变化,
特别当某点P的切线与极轴(r方向)的夹角φ=90度时,
P就可以成为轨道与小圆的“公切点”, 使得小圆线速度rω = 轨道切线速度v = 极轴切向速度V,
(比如在P点处停止拉绳)
而不是“切向动量守恒”要求的:rω= v0 =C,

2、如果离心力≠向心力:mVV/r - mg = f≠0,
那么由于φ≠C,轨道切线方向上的f分力为:
f'=f*sinφ,所以轨道切线速度v≠C,
于是极轴切向速度 V=v*sinφ中的v与φ都是变量,
这就难以保证:V= v*sinφ = C = v0,

再看椭圆轨道(一半是拉绳,一半是放绳)和双曲螺线,
它们都满足φ≠C的要求,于是都可以与小圆有一个“公切点”,
所以即使没有切向力,极轴切向速度V=v*sinφ也会变化,这是由轨道特性决定的?
具体到行星椭圆轨道问题,显然大多情况下都有:mVV/r - mg = f≠0,
V= v*sinφ 中的v与φ都是变量,而且在椭圆长轴顶点(最近日点)处有:
椭圆切线与极轴(r方向)的夹角φ=90度,可以成为小圆的切入点,
所以在这种情况下存在“角动量不变”是有可能的,
也确实有用万有引力公式、f=ma、角动量不变来证明其运动轨迹为椭圆的文章,
而且天文观测也确实证实了在此种情况下的角动量基本不变(还是比较精确的),

但这还不能保证“角动量守恒”的成立,
因为在“等角螺线”轨道的情况下,“角动量守恒”好象就难以成立?
而且各种轨道就很多了,都能满足“角动量守恒”吗?
是否只有“等角螺线”轨道不满足呢?还很难说?
比如“连锁螺线”:r=a/sqr(θ),
它对应的条件是:θ'rrr=C,而不是θ'rr=C,

 

 [10楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/24 00:46 

再具体描述一下小球的运动情况

具体的说,如果离心力=向心力:mv0v0/r0 = mg,
此时触碰一下(或下拉一下)m2,
m2将在原来的位置附近做上下振动,

因为当m2获得一定速度u后,m1的r将减小,但是由于极轴切向速度V=v0=C, 所以离心力 mv0v0/r > mv0v0/r0  = mg,
m1将做加速度为(v0v0/r -  g)的径向减速运动:
u=u0 - ∫(v0v0/r -  g)dt
当 u=0 时 ,m1以加速度(v0v0/r -  g)反向运动,
如果没有任何摩擦,m1就可能会在平衡位置附近来回振荡,

如果是用匀速转动的电机带动m2下落,那么这种平衡振荡就不会出现了,
伴随的是电机的负荷越来越大,m1的角速度增加,极轴切向速度不变:V= v0=C,
但是当电机停转时,m1会出现微小的振荡,振荡幅度与电机停转的快慢有关,


 [11楼]  作者:angelury  发表时间: 2006/06/24 09:10 

1.N>F时是不会下落的(两球质量相等时,必需提供v0必需保证在限定范围)
2.必需在整个过程中保证有上下振动现象产生,否则会直接下落。也就是给定L的长度足够。
实际中这题已和现实中的天体运动很相似,再引申一下就可以知道,膨胀只是一定时期的宇宙现象描述。(要研究宇宙,还必须计算摩擦力的存在才会有意义,也就是说,现有的宇宙描述只在明显现象支持下的理论,但实际中存在着难以测定的反向收缩现象)

※※※※※※
中医理论远在千年之前就比现在的西医先进无数倍。 易学-牛顿力学-相对论-维构论-...>0 先进=简单,这我也知道,但为何竟是易学?!
 [12楼]  作者:黄新卫  发表时间: 2006/06/24 11:29 

最近为什么经常发贴后开始正常,过一段时间就乱码了?修改再发上贴


※※※※※※
我的理论:《五维时空与运动力学》http://xdlbj.com/dod/wuweitime.rar 提出杠杆、电梯悖论,对相对性原理提出质疑,并提出了新的理论。很简洁地推导出实物粒子的质量增大、时间变慢等现象,质能公式E=mc2 ,并且对这些现象作出了新的解释,杜绝了狭义相对论的悖论。
 [13楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/24 12:49 

是个“椭圆振荡”,还不属于径向匀速拉绳的情况

如果松夹子前,
小球m1的线速度v0较高,离心力>向心力:mv0v0/r0  > mg,
那松开夹子后,m1就会以椭圆轨道“振荡”,
因为:
离心力使得m1远离圆心,r增加,VV/r 减小,
V=v*sinφ  中的φ减小,sinφ减小,v在径向分力(mVV/r - mg)sinφ  的反向作用下减小,
所以径向加速度(VV/r - g)在小球远离圆心的过程中迅速减小,
当 VV/r = g 时,径向远离加速度a=r"=0,而后开始反向加速,
在椭圆的长轴顶点处,φ=90度,径向速度u=0,
以后u的方向改变,m1沿返回椭圆轨道运动,

m2在竖向做上下变加速振荡:
z=r= a(1-ee)/(1-ecosθ)

这确实是类似行星的椭圆轨道,
看来这个改进模型还是没有考虑绳子匀速收缩的情况?
椭圆和双曲螺线 r=a/θ 轨道都是满足“角动量不变”的情况, 这就是现在主流学者的思路了,可是他们不能只考虑宏观的天文呀? 还应该看看身边动植物的生长规律? 总之,还要考虑到各种轨道下的情况,看看角动量是否守恒? 比如在此模型中,改用恒速电机带动m2下落, 或者改用磁场加电场的装置来缓慢改变电子的圆轨道半径r, 当然还可以利用某种径向加速度变化的规律, 使得r的变化规律满足“连锁螺线”:r=a/sqr(θ), 这些情况可能都不满足角动量守恒?



 

 [14楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/24 13:40 

注意到:二次曲线有相似的极坐标形式
注意到一般的二次曲线都有相似的极坐标形式 (p=bb/a):
椭圆:r= p/(1 + e*cosθ)      
双曲线:r= p/(1 - e*cosθ) 
抛物线:r= p/(1 - cosθ)

这大概就是为什么椭圆和双曲螺线r=a/θ都可以满足角动量不变的内在原因?

 [15楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/24 22:44 

改进模型:两套装置联动

如果用两套这种装置,只是把下缀的小球去掉,
两条绳子在木板下面连接,令两个球的mv0v0/r0相同,
那么它们就处于平衡状态下,都做匀速圆周运动,

1、突然用力向一个方向拉动绳子,移动Δr后,固定绳子:
两个球都会沿椭圆轨道进入两个圆轨道,
一个是大圆,一个是小圆,
估计可以保持角动量不变:L= ωrr =C,

2、缓慢(与线速度相比)向一个方向拉动绳子,同样移动Δr后,固定绳子:
两个球近似以“等角螺线”运动,最后同样是一个大圆轨道和一个小圆轨道,
可能是保持切向动量不变:ωr= ω0*r0 =C,

3、如果在2的基础上,突然放手:
两个球都将按椭圆轨道来回运动,相位相差180度,

4、同样在2的基础上,缓慢顺力移动绳子:
当绳子静止后,两个球都恢复到等半径、等线速度的圆周运动,

5、如果向一个方向拉动绳子的力量过大(加速度过大),
绳子固定后,两个球虽然还是作圆周运动,但很可能是遵守如下规律:
ωrrr = C,
甚至可能是:
ωrrrr = C,  或  ωrrrrr = C,...... ,
全看你用多大的加速度去拉动绳子了?
(注意:拉绳子的力可以不是 F=GMm/rr,可以是任意的)
因为当球的径向速度较大时,切线速度v与极轴的夹角φ很小,
所以拉绳子的加速度a=r"越大,在相同的时间内,得到的v就越大,
这样当收绳到0.5r0后,v不但可以增加到2v,还可以增加到3v、4v、...,
而小球最后都可以速度nv、沿“公切线”切入半径为0.5r0的小圆轨道,

 

 [16楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/25 11:31 

是呀,经常出现这个问题,我一般是在“修改”时,把帖子里的换行符号都去掉,
只按排版上的直观换行,一般可以解决,

如果是看贴,就要改用"单屏",至少一般乱码的地方会不同,
这样"双屏"结合"单屏"最后才能看到或复制到完整的帖子,呵,
是不是论坛没有交钱的原因呢?

 [17楼]  作者:angelury  发表时间: 2006/06/28 00:23 

回复:双核心天体
两种改进模型是双核心天体模型,但前一种是约定静太天体为太阳或地球,而另一种则不约定。因而计算约定与非约定关系就可以得到两者等效方程。(由此也可以间接得到均速圆周运动等效均速直线运动,而均速圆周运动更接近现实关系描述)

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