非惯性系中的质点动力学
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4、非惯性系中质点的动能定理惯性参考系中的动能定理只适用于惯性系。
在非惯性参考系中,由于质点的运动微分方程中含有惯性力,因此需要重新推导动能定理。
质点的相对运动动力学基本方程为r d d m t=++Ie IC v F F F 式中e C r2m m m =-=-=-´Ie IC F a F a ωv ,r d d tv 是对时间t 的相对导数r v 上式两端点乘相对位移d ¢r r d d d d d d m t¢¢¢¢×=×+×+×Ie IC v r F r F r F r 注意到,并且科氏惯性力垂直于相对速度,所以IC F r v d 0¢×=IC F r d d r t¢=r v 上式变为:r r d d d m ¢¢×=×+×Ie v v F r F r δW ¢Ie—表示牵连惯性力F Ie 在质点的相对位移上的元功。
δF W ¢—表示力F 在质点的相对位移上的元功。
则有:2r 1d()δδ2F mv W W ¢¢=+Ie 质点在非惯性系中相对动能的增量等于作用于质点上的力与牵连惯性力在相对运动中所作的元功之和。
——质点相对运动动能定理(微分形式)4、非惯性系中质点的动能定理积分上式得22r r01122F mv mv W W ¢¢-=+Ie ——质点相对运动动能定理(积分形式)质点在非惯性系中相对动能的变化等于作用于质点上的力与牵连惯性力在相对路程上所作功的和。
注意:因为在非惯性系中科式惯性力始终垂直于相对速度,因此在相对运动中科式惯性力始终不做功。
例4 已知:一平板与水平面成θ角,板上有一质量为m 的小球,如图所示,若不计摩擦等阻力。
求: (1)平板以多大加速度向右平移时,小球能保持相对静止?(2)若平板又以这个加速度的两倍向右平移时,小球应沿板向上运动。
0 引 言在物理学中,如何选择适当的参照系是非常重要的,在力学中通常选用惯性系,但有时也可选用非惯性系。
功能原理在惯性系中成立,在非惯性系中作适当处理后也成立,有时用它解题很方便。
本文就给出这样的例题。
关于非惯性系参照系中,在《理论力学》中只是研究动力学方程,缺少的是非惯性系中的功能原理。
本文经过推导得出质点系非惯性系的功能原理。
1 功能原理的研究1.1 质点系的动能定理质点系也是实际物体的一种理想模型,它可以当作有限个质点组成的一个系统。
设一个质点系有N 个质点组成,其中第i 个质点的质量为m i ,第j 个质点作用在m i 上的力(内力)为f ij ,这N 个质点以外的其他物体作用在m i 上的合力(外力)为f i ,则由牛顿运动定律()11Ni i i ij ij j dv m f f dt ==+-∑δ (1-1)式中i v 是i m 的速度,而10ij i ji j=⎧=⎨≠⎩, 当, 当δ (1-2)当i m 的位移为i dr 时,以i dr 点乘上式便得()()21211Ni i ij ij i i i j f dr f dr dm v =+-=∑ δ (1-3)将上式对所有的N 个质点求和,便得()21211111N N NN i i ij ij i i i i i j i f dr f dr d m v ====⎛⎫+-= ⎪⎝⎭∑∑∑∑ δ (1-4) 令1Niii dA f dr ==∑ 外, (1-5)()111N Nij ij i i j dA f dr ===-∑∑ 内δ, (1-6)分别代表外力和内力作的功,则(1-4)可写作:2121N i i i dA dA d m v =⎛⎫+= ⎪⎝⎭∑外内。
(1-7)这就是质点系的动能定理。
1.2质点系统的功能原理质点系的内力可以分为保守内力和非保守内力。
例如,质点系内各质点的万有引力是保守内力;质点间的摩擦力是非保守内力。