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:
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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,
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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
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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?