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“角动量守恒”可能忽略了一个约束条件:r·F = r·d(mv)/dt
[楼主] 作者:yanghx  发表时间:2006/06/25 00:42
点击:2596次

估计问题出在极轴方向的 F=ma 没有考虑?

为了说清问题所在,
先把角动量定律和角动量守恒定律的证明过程叙述如下:

=========================================
证明:角动量定律和角动量守恒定律

由F=m(dv/dt),用r叉乘等式两边得:
r×F= r×d(mv)/dt
= r×d(mv)/dt + [(dr/dt)×mv - (dr/dt)×mv]
=[r×d(mv)/dt + (dr/dt)×mv] - (dr/dt)×mv
=d(r×mv)/dt - (dr/dt)×mv

由于v=dr/dt,v×v=0,
所以:(dr/dt)×mv =0
于是代入后得到:
r×F = d(r×mv)/dt = dL/dt

其中:r×mv 定义为相对同一参考点的角动量L,
角动量定理证毕,

当M= r×F =0 时有:
d(r×mv)/dt = 0
两边积分得:
L= r×mv =C (常数)
角动量守恒定律证毕,

===============================================
问题出在哪里呢?分析如下:
首先看:
“由F=m(dv/dt),用r叉乘等式两边得:r×F= r×d(mv)/dt ”
这个意思是:
把F分解到极轴的切向得到:r×F = r*F*sinθ,
把加速度a同样分解到极轴的切向:r×d(mv)/dt = r*[d(mv)/dt]*sinθ,
我们知道在运用f=ma解题时,可以把F分解到任意两个互垂的坐标轴上,
然而必须将两个坐标轴上的方程联立求解:
Fx=m*ax
Fy=m*ay

但是这个证明过程显然没有考虑分解到极轴方向的:
r·F = r·d(mv)/dt
所以正确的分析、证明应该是联立微分方程组:
r×F= r×d(mv)/dt
r·F = r·d(mv)/dt

现在可以看出,由 r×F= r×d(mv)/dt 得到的“角动量守恒”,
还需要有 r·F = r·d(mv)/dt 作为必须的约束条件,
那么对于“绳球模型”的情况有:r与F同方向,cosΩ=1,
代入:r·F = r·d(mv)/dt 有:
rF = r d(mv)/dt
两边同除 r 得:
F = d(mv)/dt = mVV/r + d(mU)/dt = mVV/r +|a|
(v=V+U)
如果假设匀速收绳,则小球的径向加速度|a|=0,所以得到:
F = mVV/r,这是匀速拉绳力所必须满足的,
即收绳的力F要随着r的减小而增加,
而且由题设的:|a|=0 
两边积分得径向速度为:U=C,
由于切向初速度为:V= v0= r0*ω0,
所以这是一个:V/U = C/v0 = tgφ=C 的“等角螺线”轨道,
这就是由极轴径向运动方程:r·F = r·d(mv)/dt 得出的约束条件:
V= r*ω= r0*ω0 =C
把它代入由切向运动方程:r×F= r×d(mv)/dt 得到的“角动量条件”:
L= r×mv = rmV =C1 (常数)
得:r= C1/mV =C,
这显然不满足“匀速收绳”U=C 的前提假设,所以“角动量守恒”在此失效,
所以只能由:V= r*ω= r0*ω0 =C 解得:
ω= (r0/r)ω0


==============================================
同样的,由 r·F = r·d(mv)/dt 可以得到:
F = d(mv)/dt = mVV/r + |a|
对于不同的|a|,就会有不同的约束条件,
当|a|=C/rr 时,可以得到椭圆轨道,从而与“角动量条件”:
L= r×mv = rmV =C1 (常数)
没有冲突,或者说没有其它的附加约束条件,

可是当|a|=C/rrr 或 |a|=C/rrrr 时,
就可能会产生其它的约束条件,于是使得“角动量条件”难以成立,
具体的演算太复杂,只好留给正和这样的学者去研究、论证了,

总之,想提请注意:
对于“角动量守恒定律”,还有一个r方向(极轴方向)的约束条件要考虑:
r·F = r·d(mv)/dt
不能只考虑r切向(极轴切向)的约束条件:
r×F= r×d(mv)/dt
否则可能对很多理论分析上和实际实验上的结果将难以理解?
所以,估计“角动量守恒”作为一个定律难以成立?

 

 

 

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 [2楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/25 23:16 

角动量的速度不能用v表达,只能是速度的切向分量﹕r·(dφ/dt)


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相对论一派胡言 物理界混淆是非 时空物绝对独立 “倒相者”返璞归真
 [3楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/26 00:22 

由“绳球问题”导出动量矩不守恒的论证,我举了那么多例子至今都没能说服几人,可见要反相对论的难度是何等之大?


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 [4楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/26 10:35 

“角动量守恒”可能忽略了一个约束条件:r·F = r·d(mv)/dt
 [5楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/26 10:42 

“如果假设匀速收绳,则小球的径向加速度|a|=0”是错的。直角坐标的结论不能套用到极坐标中。难道匀速圆周运动的径向加速度=0?
匀速圆周运动也可认为是匀速收绳,只不过收绳速度为0。你对角动量定理的证明是严谨的,是由平动力学导出来的,为何还要怀疑它?那你怀疑的到底是平动力学定律还是你自己的数学推导呢?
 [6楼]  作者:angelury  发表时间: 2006/06/26 12:24 

回复:可以这样理解
可以这样理解,收缩空间是独立于原空间的叠加空间系统,因而可以在自身曲维计算时,保证原空间的能态不变性.
因而只要计算收缩空间中的收缩效应,两者就可等效.
你们研究的都是同一个问题,只是观测的层系不同,因而各有各说就是了. 不过这种理解法存在着问题,时间与空间相对能态会是随意可变的,必需找到定态观测空间才能理解可变性.

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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?!
[楼主]  [7楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/26 14:40 

可能是离心力的分力提供了“切向加速力”?

注意:
F = d(mv)/dt = mVV/r + d(mU)/dt = mVV/r  + m|a|
即:F = mVV/r  + m|a|
F是绳力,mVV/r 是离心力,所以|a|是绳长变化加速度?

我现在倒是考虑,绳子向心力F是肯定难以提供切向力的,
因为F始终垂直于极轴切向,可是离心力mVV/r就不一样了,
当小球脱离圆轨道后,离心力变成了mvv/R  (R是该点的曲率半径),
方向垂直于v=V+U,不再垂直于切向了,
那么这个倾斜了的离心力mvv/R在切向就有一个分力(mvv/R)cosφ,
大概就是这个离心力的分力使得切向速度V改变了?

这样的话,即使U=C,可V≠C,还是难以得到“等角螺线”轨道?
还没有想得清楚,这个离心力的分力(mvv/R)cosφ叫个什么呢?
好象也不算是“科氏力”吧?不过应该也属于惯性加速力?
再看看吧,



[楼主]  [8楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/26 15:22 

那平抛运动怎么办呢?

果真如此的话,一般所说的平抛运动结果可能也要修改了,
结果是:平抛出去的小球将不以常加速度g下落,
也不是以初速度v0做水平运动的,
竖向受力分析为:
(mvv/R)cosΦ - mg = ma
水平速度为:
V= v0 + ∫(vv/R)sinΦ dt

我怎么觉得有点晕呢?可是物体确实只受到两个力:重力和离心力?

 

 [9楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/26 17:04 

真不想回答这个初中物理的疑惑
离心力是反作用力,反作用力与作用力不是作用在同一物体上的。因此小球的离心力不是作用在小球上的。使小球加速的向心绳力或重力才是作用在小球上的。物体在作用力下加速,不能在反作用力作用下加速,明白了吗?
[楼主]  [10楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/26 20:01 

不明白了
不明白,你的意思是:离心力mvv/r是反作用力?所以不能加速物体?
那么按照牛三定律:作用力=反作用力,
就是说:不存在离心力≠向心力的情况了?
那小球还会做极轴方向的运动吗?极轴方向的合力永远为零? 当离心力mvv/r大于向心力F时,小球要向远离轴心的方向加速运动, 这不是小球在离心力作用下被加速吗?至少是等效于吧? 否则不是连小球远离轴心的加速力也找不到了吗? 更谈不上寻找小球切向的加速力了?

 [11楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/26 22:57 

不会奉承他的错误证明拉赞助吧﹕v=(dr/dt)使等式的所有步聚都为零再对零积分也称“证明是严谨的”?

角动量能用 r×m(dr/dt) 表达吗?你不会连看也不看他的证明过程就说他“对角动量定理的证明是严谨的”吧?不过我也经常同样如此看也不看就判断别人的证明过程是否有错,因为我也认为结论正确的东西其过程最错也错不到那去,不过这里的问题是结论错了我即使不看证明过程也知道是证错了!

关于匀速圆周运动的径向加速度问题,我认为既然有绳子的拉力与作圆周运动物体的惯性离心力达到平衡状态,就不存在有什么“径向加速度”了。不仅如此,即使是匀速的收绳或放绳过程同样不存在“径向加速度”!而对于非匀速的收绳或放绳过程,绳子的拉力与惯性离心力的平衡做破坏,但这种“径向加速度”并非外力做功的结果,而是绳子的拉力与惯性离心力以及物体加速之间达到一种新的力学平衡,这时必然导致其切向速度的相应改变,从而确保其惯性速度值不变(即动能守恒)!

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[楼主]  [12楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/27 00:07 

没有用 r×m(dr/dt) 表示角动量呀?
我可没有那么大本事,是照抄的,估计不会有错,
 [13楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/27 00:18 

“荡秋钎”过程是“绳子缩短”在做功吗?

记得我小时候玩过几次秋钎,可每次都是在秋钎开始上升的过程身体上移,结果总是不得要令不仅荡不上去而且身姿怪模怪样。现在分析起来,应该是在身体下落过程重心下移从而增加势位差以期达到最低点时最大的动量,就在达到最低点的瞬间身体重心即刻上移(身体站直),就在这一瞬间前后的动量值保持不变只使“绳子缩短”而动量矩显著减少却能荡得更高!再在上升的过程中身体保持直立,从而确保在最低点处获得的动能达到“绳子缩短”后同样势位差的高度。

这里关键的技术要领,在秋钎下荡到最低点前身体保持下蹲姿势,达到最低点的一瞬间身体突然站身而重心上移,就在这一瞬间难道是因为“绳子缩短”做功而增加了动能吗?或者是因为在站立的过程中将站立速度转化为“切向动能”了呢?显然都不是,站立过程使绳子拉力增加也同样增加了离心力,两种力的作用大小相等方向相反始终保持平衡你说是那种力做了功?没有,都没做功,而是动量矩减小而提升了引力势能的势位高度保持其原有动能而荡得更高!

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[楼主]  [14楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/27 00:19 

这个反作用力比较特殊?

如果说离心力是一个反作用力,那么这个反作用力与一般的好象不太一样?
一般的反作用力是没有"延迟"的,作用力增加的瞬间,反作用力也随之增加,
可是离心力就有个"平衡延迟"的问题?它要随作用力增加也要有个过程,
减小也是一样,这个重新与作用力平衡的过程好象就有一个变力加速的意思?

考虑到曲率半径,这个反作用力似乎还可以不与作用力共线?
即:"大小相等"需要一个过程,"方向相反"也不是一定的?有些特殊?

 [15楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/27 01:01 

“由于v=dr/dt...r×F=d(r×mv)/dt=dL/dt”是指什么?可能正因为都这么照抄才会有我们今天“绳球问题”大讨论!

请再认真看那证明过程有几处没用“v=dr/dt”这一式子?再把这一等式代入每一步“证明”过程看有哪一步不是为零?这是哪本教科书上抄来的吗?如果用这种教科书去教学生还不误人子弟?

但愿是我弄错了,我把“v=dr/dt=0”错看成了圆周运动,实际上这里都是矢量运算,但矢量运算也并不是这么变换的,至少不能缺少角速度ω的代换。

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 [16楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/27 01:23 

矢量运算的V≠(dr/dt),应该是V=dr/dt +ω×r,所以那两个“定律”的证明都是错误的!

 



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 [17楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/27 10:02 

向心力是作用力,离心力是反作用力;作用力与反作用力大小相等方向相反在同一直线上,但是不是作用于同一物体!
“角动量守恒”可能忽略了一个约束条件:r·F = r·d(mv)/dt
 [18楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/27 10:04 

这里的r是矢量,只有r是位移矢量时才有dr/dt=v。你看不懂就不要乱理解。
“角动量守恒”可能忽略了一个约束条件:r·F = r·d(mv)/dt
 [19楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/27 10:07 

你脑袋里只有标量运算,所以对矢量的整体表示看不懂,只看得懂用坐标分量进行的臃肿的标量表达。
而且你那个V=dr/dt +ω×r既不是标量式也不是矢量式,是完全错误的浆糊式。因为如果r是标量,则dr/dt也是标量,ω×r就是没意义的,V也是没有意义的,至少不能是矢量。 如果要将标量式用到底,速度在直角坐标中则是 Vx=(rcosθ)'=r'cosθ-θ'rsinθ=r'cosθ-ωrsinθ Vy=(rsinθ)'=r'sinθ+θ'rcosθ=r'sinθ+ωrcosθ 将速度用极坐标表示,则是 Vr=r' Vθ=θ'=ω 由于极坐标是曲线坐标,所以坐标分量相等的两个速度矢量不一定相等(自己去想为什么)
 [20楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/27 10:31 

你的中学物理老师要代你受过了。
在秋千最低点时站起,质心与秋千系着点的距离缩矩L,可以看作“收绳”(假想有一根看不见的绳一直系在你的质心上)过程,“收绳力”(实际是你的身体内的张力)做正功W=FS;在秋千最高点时蹲下,质心远离秋千系着点,可以视为“放绳”过程,“放绳力”做负功w=-fS。由于最低点时绳子张力F比最高点时绳子张力大,而质心移动距离相同,所以有净功(F-f)S输入了秋千系统(注意没有净重力势能输入秋千系统)。
 [21楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/27 10:41 

收绳力做功可以用另一个秋千实验简单地验证
用细线系一个小球,另一端在你手里;细线穿过一个孔状支点做成一个秋千。让秋千轻微荡起来,当小球荡到最低点时收线,荡到最高点时放线。只要掌握好收放频率,小球会越荡越高。
 [22楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/27 10:49 

怎么你的矢量知识水平比我还不如?你没学过《理论力学》?你真的不懂 sinθ和cosθ可分别表示为矢量的叉积和点积?

在公式“V=dr/dt +ω×r”中除t之外全部是矢量你也不懂?不过我的数学矢量知识水平并不多,这只不过是书上抄来的,但这简单的矢量公式却包含了你那标量计算式中的一切信息,自己慢慢去消化吧。(忙了十多天就今天有时间想来写关于陀螺问题的帖子,可是被你这一搅和又兴致全无了)

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 [23楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/27 10:50 

如果除t外全是矢量,则r就与位移等同,dr/dt就与ds/dt等同,你多出的一项ω×r干吗?
“角动量守恒”可能忽略了一个约束条件:r·F = r·d(mv)/dt
 [24楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/27 10:56 

“dr/dt=v”仅仅是在直线运动的情况下才成立,在矢量运算中必须包合速度v的旋转项“ω×r”!怪不得原来你的理解水平就如此?


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 [25楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/27 11:25 

你真的搞不懂r^=(rcosθ,rsinθ)?r^是矢量整体,r是矢量长度(标量)

习惯用黑体表示矢量,常体表示标量,r=(rcosθ,rsinθ)。

v=dr/dt,哪里还需要别的项??

 [26楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/27 11:31 

在“在秋千最高点时蹲下”是对的,可“‘放绳力’做负功w=-fS”就长见识了,看来你的中学物理老师也要代你受过了!

我只知道引力势能的“引力势”是负值,可并不知道还有什么“负能量”(当然还有什么“虚质量”也听说过),今天你的“做负功”的确使我长见识了!

究竟是在秋千最高点时蹲下,还是可以在秋千下荡过程中缓慢下蹲的问题我还没去考究,但在最低点时突然站立是自已的身体内能转化做功却决不能忽视,这难道是绳子做的功?那不如说你从地面上突然站起是地面对你做了功与你自己的身体状况无关!

可以肯定的是﹕无论你是在秋千最高点时蹲下,还是在秋千下荡过程中缓慢下蹲,这一过程是无论如何不会改变系统的能量状态的,也根本就无须引入什么“做负功”来烂芋充数了。

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 [27楼]  作者:正和  发表时间: 2006/06/27 11:39 

原来你不知道有做负功这回事?太令人惊讶了!

w=F.S=FScosθ,在最高点蹲下时,位移与力反向,cosθ=-1,w=F.S=-fS有何奇怪的?连负功也不知道,你的初中物理老师真是误人子弟呀。

 [28楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/27 11:42 

乱码看不懂,但用一个“链球运动”的例子更能说明问题。具体你自己去分析,人家运动员和教练肯定都不蠢!

除非你的链球抛得远近靠的是“动量矩”而并非初速度?

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 [29楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/27 11:48 

去看一看有关矢量问题的理论力学书籍,不要停留的在大一的《普通物理》知识范围内考虑问题


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 [30楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2006/06/27 11:56 

你是否还吃了一顿“负饭”呢!功只有吸收和做功过程,做功提供能量、吸收则增加自己的能量,你这是什么能量?


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