10变质量系统动力学
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变质量的牛顿第二定律在三维坐标、平动和转动方程引子:牛顿第二定律在物理学中被广泛应用,是描述物体运动状态的重要定律之一。
然而,在一些特定情况下,物体的质量可能会发生变化,这就需要引入变质量的牛顿第二定律。
本文将围绕这一主题展开讨论,分析在三维坐标、平动和转动方程中的应用。
一、牛顿第二定律的基本概念1. 牛顿第二定律的表述及原理牛顿第二定律是经典力学中的基本定律之一,它描述了物体在外力作用下的加速度与所受力的关系,通常表达为F=ma,其中F为物体所受的合外力,m为物体的质量,a为物体的加速度。
这一定律的基本原理是力是物体运动状态改变的原因,力的大小和方向决定了物体的加速度。
2. 牛顿第二定律在三维坐标中的表示在三维坐标系中,物体可能受到来自不同方向的合外力,此时可以通过矢量运算来表示牛顿第二定律。
根据矢量的性质,可以将合外力表示为一个三维矢量F=(F_x, F_y, F_z),物体的加速度也可以表示为一个三维矢量a=(a_x, a_y, a_z),则牛顿第二定律可以表示为F=ma。
二、变质量的牛顿第二定律的推导及应用1. 变质量的概念及原因在一些特定情况下,物体的质量可能会随时间变化,例如火箭发射过程中燃料消耗导致质量减小。
此时,传统的牛顿第二定律就无法准确描述物体的运动状态,需要引入变质量的概念。
2. 变质量的牛顿第二定律的推导根据牛顿第二定律的基本原理,可以推导出变质量的牛顿第二定律。
假设物体的质量随时间变化,其质量函数可以表示为m(t),则物体所受的合外力F(t)与加速度a(t)的关系可以表示为F(t)=m(t)a(t)。
在质量变化的情况下,需要考虑质量随时间的变化率dm/dt对物体运动状态的影响,进而推导出变质量的牛顿第二定律。
3. 变质量的牛顿第二定律在平动和转动方程中的应用在实际的物理问题中,变质量的牛顿第二定律被广泛应用于描述物体的平动和转动状态。
通过数学建模和推导,可以得到物体质量变化情况下的运动方程,从而更准确地预测物体的运动轨迹和速度。
变质量问题公式一、火箭发射类问题。
题目1:一枚火箭的初始质量为M_0,燃料以相对火箭的速度v_e向后喷出。
在某一时刻,火箭的质量变为M,求此时火箭的速度v(假设火箭在太空中,不受外力作用)。
解析:根据变质量物体的动力学方程:M(dv)/(dt)=-v_e(dM)/(dt)分离变量得:dv = - v_e(dM)/(M)两边积分:∫_v_0^v dv=-v_e∫_M_0^M(dM)/(M)其中v_0 = 0(初始速度为0)解得:v = v_eln(M_0)/(M)题目2:火箭的初始质量是1000kg,燃料的喷射速度为2000m/s。
当火箭的质量变为600kg时,它的速度是多少?解析:已知M_0 = 1000kg,M = 600kg,v_e=2000m/s由v = v_eln(M_0)/(M)v = 2000×ln(1000)/(600)=2000×ln(5)/(3)≈ 2000×0.5108 = 1021.6m/s题目3:火箭质量M_0 = 5000kg,燃料喷射速度v_e = 3000m/s。
若要使火箭达到6000m/s 的速度,火箭最终的质量M是多少?解析:根据v = v_eln(M_0)/(M)6000 = 3000×ln(M_0)/(M)ln(M_0)/(M)= 2(M_0)/(M)=e^2M=(M_0)/(e^2)=(5000)/(e^2)≈ 676.7kg二、雨滴增长类问题。
题目4:雨滴在云层中下落时,不断有小水滴凝结在上面。
设雨滴初始质量为m_0,在下落过程中,其质量的增长速率为λ(即(dm)/(dt)=λ),雨滴受到的空气阻力为F = - kv (k为常数,v为雨滴速度)。
求雨滴的速度随时间的变化关系。
解析:根据牛顿第二定律:(m_0+λ t)(dv)/(dt)=(m_0 +λ t)g- kv分离变量得:(dv)/(g-frac{k){m_0+λ t}v}=(dt)/(m_0+λ t)令u = m_0+λ t,则dt=(du)/(λ)方程变为:(dv)/(g-frac{k){u}v}=(du)/(λ u)这是一个一阶线性非齐次微分方程,通过求解该方程可得雨滴速度随时间的变化关系。
动力学中的质量和加速度有什么关系知识点:动力学中的质量和加速度的关系在动力学中,质量和加速度之间的关系是一个重要的概念。
质量是物体所具有的惯性大小,而加速度是物体速度变化的快慢。
它们之间的关系可以通过牛顿的第二定律来描述。
牛顿的第二定律表明,物体的加速度与作用在它上面的合外力成正比,与物体的质量成反比。
用数学公式表示为:其中,F 表示合外力,m 表示物体的质量,a 表示物体的加速度。
从这个公式可以看出,质量越大,物体的加速度越小;质量越小,物体的加速度越大。
这意味着,对于相同的合外力,质量越大的物体加速越慢,质量越小的物体加速越快。
此外,加速度的方向与合外力的方向相同。
这意味着,如果合外力与物体的速度方向相同,物体将加速;如果合外力与物体的速度方向相反,物体将减速。
总结起来,动力学中的质量和加速度之间的关系可以通过牛顿的第二定律来描述。
质量越大,加速度越小;质量越小,加速度越大。
同时,加速度的方向与合外力的方向相同。
这些概念对于理解物体运动的基本规律非常重要。
习题及方法:一个质量为2kg的物体受到一个合外力为6N的作用,求物体的加速度。
根据牛顿的第二定律,F = ma。
将已知的力F和质量m代入公式,得到加速度a = F/m = 6N / 2kg = 3m/s²。
因此,物体的加速度为3m/s²。
一个质量为5kg的物体受到一个合外力为10N的作用,求物体的加速度。
同样根据牛顿的第二定律,F = ma。
将已知的力F和质量m代入公式,得到加速度a = F/m = 10N / 5kg = 2m/s²。
因此,物体的加速度为2m/s²。
一个质量为3kg的物体受到一个合外力为9N的作用,求物体的加速度。
应用牛顿的第二定律,F = ma。
将已知的力F和质量m代入公式,得到加速度a = F/m = 9N / 3kg = 3m/s²。
因此,物体的加速度为3m/s²。
《地球系统科学》课程教学大纲课程名称:地球系统科学 / Earth System Science课程编码:12024007 课程类型:专业选修课课程性质:专业主干课适用范围:06地理信息系统学时数:36 其中:实验/实践学时:课外学时:学分数: 2 先修课程:自然地理学、地理信息系统、遥感概论考核方式:考查制定单位:广州大学地理科学学院制定日期:2006年审核者:夏丽华执笔者:千怀遂一、教学大纲说明(一)课程的地位、作用和任务地球系统科学以全球性、统一性的整体观和系统观,从多种时空尺度研究地球的整体行为,其理论的构建,将使人类更好地认识所赖以生存的环境,更有效地防止和控制可能突发的灾害对人类所造成的损害,更有利于人类与地球的和谐发展。
该学科是在全球变化、地理信息科学和可持续发展等领域深入研究和不断拓展的基础上发展起来的一门新兴学科,本课程以专业选修课的形式,向学生介绍地球系统科学的形成与发展及其基本概念、基本理论和基本方法,并使学生了解其在全球变化、生态环境、资源开发、土地利用、管理决策、灾害防治等方面的应用。
(二)课程教学的目的和要求通过本课程的教学,让学生:1) 树立地球系统科学研究的整体观和系统观,了解地球系统科学的多时空尺度,并理解只有更好地认识人类所赖以生存的环境,才能更有效地防止和控制可能突发的灾难。
2) 了解可持续发展的内涵是以资源的可持续利用和良好的生态环境为基础,以经济可持续发展为前提,以谋求社会的全面进步为目标。
3) 初步了解地球系统科学研究中的遥感和地理信息系统技术,学会常用遥感图像处理软件的基本操作,能够初步运用地理信息系统技术进行空间数据的基本分析。
(三)课程教学方法与手段课程的主要教学方法包括课堂讲授与自学讨论。
课堂讲授部分全部使用多媒体技术授课。
(四)课程和其它课程的联系本课程的先修课程包括自然地理学、地理信息系统、遥感概论,并要求学生具有一定的数学基础。
(五)教材与教学参考书教材:毕思文,地球系统科学导论,科学出版社,2004年第一版。
《分析力学(上、下卷)》评介陈立群【摘要】评介梅凤翔编著《分析力学(上、下卷)》.概览了该书两卷共25章的主要内容.分析了该书的突出特点,基本内容部分是教材专著化,提高部分内容是专著教材化.【期刊名称】《力学与实践》【年(卷),期】2015(037)004【总页数】2页(P563-564)【关键词】分析力学;教材;书评【作者】陈立群【作者单位】上海大学力学系,上海200444【正文语种】中文【中图分类】O316分析力学既是动力学与控制学科的研究领域,也是力学、数学、物理学、机械、航天、航空等专业本科生和研究生的课程.梅凤翔教授新著《分析力学(上、下卷)》[1-2]在贯通基础课程和研究前沿方面做了成功的尝试,既对分析力学的基础知识做了准确清晰的阐述,又对分析力学的研究进展做了简明扼要的综述.该书作者梅凤翔教授长期从事分析力学研究,在非完整系统动力学、伯克霍夫系统动力学、对称性和守恒量等多个方面都取得了有国际影响的研究成果.同时,他也注重分析力学的教学,已出版多部分析力学的教材和专著[2-15],并在《力学与实践》上发表系列教学文章“分析力学札记”.更难能可贵的是,作者近年钻研达朗贝尔、拉格朗日、阿佩尔等分析力学大师的经典著作,“对分析力学的起源与发展有了进一步的认识”[1].因此该书也反映了作者阅读这些经典著作的心得体会.《分析力学(上卷)》是分析力学的基础部分,共13章.前4章是分析力学的基本概念,包括约束及其分类、广义坐标与准坐标、虚位移与自由度、理想约束.第5章是分析静力学,虚位移原理.第6章为运动学基础.第7章是达朗贝尔--拉格朗日原理.第8至11章为拉格朗日力学,包括拉格朗日方程的理论推广(事件空间表述、可控系统、机电系统、变质量系统、受冲击系统)、具体应用(稳定性和小振动、刚体定点转动、非惯性系中运动)和其他专题(准坐标表示、耗散函数引入、幂级数求解和逆问题).最后2章是哈密尔顿力学,包括哈密尔顿方程及其积分.《分析力学(下卷)》是分析力学的提高部分,共12章.第14章和第15章分别是非完整系统和伯克霍夫系统.随后7章均叙述积分方法.第16至18章为传统的解析积分方法,具体分别为场积分方法、势积分方法和雅可比最终乘子法.第19至22章为对称性方法,具体为诺特对称性、李对称性、形式不变性、拉格朗日对称性与伯克霍夫对称性.第23章为力学系统与梯度系统.第24章为动力学逆问题.第25章为力学变分原理.该书基础部分的突出特点是教材专著化,在基础性教材中有研究性的内容.该书有不少内容未见于国内外教材.例如,广义坐标概念的产生(文献[1]第12页),虚位移概念的发展(文献[1]24页),理想约束概念的形成(文献[1]344页)等,都在理解大师原著的基础上给出了翔实可信的描述.对于有争议有分歧的内容,作者也博采众家之长,给出了全面的说明.例如,虚位移原理的表述及其证明(文献[1]39-44页),达朗贝尔原理的诠释(文献[1]102-105页),哈密尔顿正则方程的推导(文献[1]256-261页)等.这些都有助于促使读者深入思考.该书提高部分堪称专著教材化,是总结研究进展引领读者直达研究前沿专著,又具有教材的可读性.作者以提纲挈领的方式把分析力学的若干前沿性课题解释得脉络明确.对于有争议的问题也作了清晰的说明,如微分运算与变分运算的交换性(文献[2]102-105页).多数章节的内容取材于作者及其合作者的研究论文,特别是形式不变性是作者提出的具有原创性的概念,被一些同行称为梅对称性.部分内容是作者的最新研究成果.例如,雅可比最终乘子法对广义哈密尔顿系统和伯克霍夫系统的推广(文献[2]427-438页),几类力学系统化为梯度系统(文献[2]564-581页)等.与基础部分一样,提高部分各章也有例题、思考题和习题,对帮助读者透彻理解大有裨益.【相关文献】1梅凤翔.分析力学(上卷).北京:北京理工大学出版社,20122梅凤翔.分析力学(下卷).北京:北京理工大学出版社,20123梅凤翔.非完整系统力学基础.北京:北京工业学院出版社,19854梅凤翔,刘桂林.分析力学.西安:西安交通大学出版社,19875梅凤翔.非完整动力学研究.北京:北京工业学院出版社,19876梅凤翔.分析力学专题.北京:北京工业学院出版社,19887杨来伍,梅凤翔.变质量系统力学.北京:北京理工大学出版社,19898梅凤翔,刘端,罗勇.高等分析力学.北京:北京理工大学出版社,19919梅凤翔,史昌荣,张永发等.BIRKHOFF系统动力学.北京:北京理工大学出版社,199610梅凤翔,史昌荣,张永发等.约束力学系统的运动稳定性.北京:北京理工大学出版社,199711赵跃宇,梅凤翔.力学系统的对称性与不变量.北京:科学出版社,199912梅凤翔.李群和李代数对约束力学系统的应用.北京:科学出版社,199913梅凤翔.约束力学系统的对称性和守恒量.北京:北京理工大学出版社,200414梅凤翔.动力学逆问题.北京:国防工业出版社,200915梅凤翔,吴惠彬.微分方程的分析力学方法.北京:科学出版社,2012。
变质量动力学方程引言质量是物理学中一个非常重要的概念,它是描述物体的一个基本属性。
而动力学则是研究物体运动的学问。
相关公式和方程也是研究物理学的基础。
如今,科技日新月异,我们对于物理学的理解也在不断拓展。
本文将探讨变质量动力学方程,以此来扩展我们对于动力学的认知。
什么是变质量动力学方程?变质量动力学方程是描述质量不随时间恒定的运动的方程。
通常情况下,物体的质量是不变的,然而在某些情况下,随着时间的变化,物体的质量会发生改变。
若忽略这一情况,将会导致对于物体运动的描述产生误差。
变质量动力学方程使我们能更加精准地描述物体的运动状态。
通过加入质量随时间变化的参数,我们能更加准确地计算物体的速度和加速度变化。
变质量动力学方程的分类变质量动力学方程可分为两大类:单质点和多体系统。
单质点方程单质点方程适用于研究只有一个物体的运动。
下面是单质点方程的公式:$$\frac{d(mv)}{dt} = F$$其中,m是物体的质量,v是物体的速度,F则是物体所受到的力。
我们可以对d(mv)/dt进行简单的变形,得到以下形式:$$ma + v\frac{dm}{dt} = F$$这个方程是另一种形式的变质量动力学方程。
它不仅可以应用在单质点运动的情况中,也可以用于多体系统的运动中。
多体系统方程多体系统方程适用于两个以上的物体运动的情况。
下面是多体系统方程的公式:$$\frac{d(m_1v_1)}{dt} = F_{1,2} + F_{1,3} + ... + F_{1,n}$$$$\frac{d(m_2v_2)}{dt} = F_{2,1} + F_{2,3} + ... + F_{2,n}$$ $$......$$$$\frac{d(m_nv_n)}{dt} = F_{n,1} + F_{n,2} + ... + F_{n,n-1}$$其中,$m_1$到$m_n$是物体的质量,$v_1$到$v_n$是物体的速度,$F_{1,2}$到$F_{n,n-1}$则是物体之间的力。
多质点系统的动力学动力学是研究物体运动的学科,而多质点系统的动力学则关注的是由多个质点组成的系统的运动规律。
多质点系统能够描述许多实际物理现象,例如分子在气体中的运动、天体运动等。
本文将介绍多质点系统的动力学基本概念和相关理论。
一、质点的定义和运动描述质点是一个理想化的物理模型,它无质量且体积可以忽略不计。
质点的运动可以用其位置随时间的变化来描述。
通常,我们假设每个质点所受到的力是已知的,这样就能够确定其运动状态。
二、受力和牛顿第二定律根据牛顿第二定律,质点所受到的力等于其质量乘以加速度。
对于多质点系统而言,每个质点都会受到各种外力的作用,例如重力、电磁力等。
通过对每个质点施加牛顿第二定律,我们可以得到质点系统的运动规律。
三、动量和动量守恒动量是质点的物理量,定义为质点质量乘以其速度。
根据牛顿第二定律和动量定义,我们可以得到质点动量的变化率等于所受力的大小。
对于一个多质点系统,我们可以将各个质点的动量相加得到系统的总动量。
在没有外力作用的情况下,多质点系统的总动量守恒。
四、动能和动能守恒动能是质点的物理量,定义为质点的速度平方与质量的乘积的一半。
根据动量和动能的关系,我们可以得到一个质点的动能等于其动量的平方除以两倍质量。
对于一个多质点系统,系统的总动能等于各个质点动能的总和。
在没有非弹性碰撞和外力做功的情况下,多质点系统的总动能守恒。
五、碰撞和冲量碰撞是多质点系统中常见的现象,它可以分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种情况。
在弹性碰撞中,系统的总动量和总动能守恒。
而在非弹性碰撞中,系统的总动量守恒但总动能不守恒。
冲量是力对时间的积分,它描述了力对物体运动状态的改变量。
在碰撞中,冲量可以用来描述两个质点之间的相互作用。
六、万有引力和开普勒定律万有引力是描述天体之间相互作用的力。
根据开普勒定律,行星绕太阳运动的轨迹是椭圆,并且太阳和行星的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积。
这些定律可以通过质点的运动和牛顿定律推导出来。
系统动力学方程
一般来说,系统动力学方程可以表示为:
dx/dt = f(x, p, t)
其中,x为系统的状态变量向量,p为系统参数向量,t为时间变量,f(x, p, t)是一个非线性函数,描述了状态变量的变化率。
系统动力学方程的基本结构包括:
1. 存量(Stock)变量:描述系统中累积或储存的量,如人口、资源储备等。
2. 流量(Flow)变量:描述进入或流出存量的速率。
3. 辅助变量(Auxiliary)变量:描述存量和流量之间的关系。
4. 反馈回路:正反馈和负反馈机制,反映系统中变量之间的相互影响。
通过构建系统动力学方程,可以模拟和分析复杂系统的动态行为,预测未来趋势,并探索不同政策或决策的影响。
系统动力学方程广泛应用于社会、经济、生态、工程等多个领域。
变质量物体的运动微分方程及火箭运动专业:物理学学号: 1: 瑞锋变质量物体的运动微分方程及火箭运动瑞锋(物理与电气工程系09级物理学专业,1)摘要:我们已经了解了一定质量的系统的运动学方程和动力学方程,但在实际问题中,系统的质量往往是变化(按一定规律减少或增加)的,我们所学的一定质量的物体的运动学或动力学方程却不适用于变质量系统,下面我们将研究变质量系统的运动学和动力学的若干方程,以及变质量物体的运动规律.关键字: 变质量系统 运动微分方程 火箭 动能定理 动量定理一、变质量物体的基本运动微分方程在以前的学习中,我们接触到的质点或者质点组系统运动过程中,本身的质量不会发生变化。
但在实际生活和自然现象中,在某时刻有一部分质量进入或者离开我么们所要研究的对象,经常有变质量系统的运动情况,例如,地球的质量由于陨石的降落而增加,飞行中的喷气飞机和火箭随着燃料的减少质量减少,浮冰由于溶化而减少质量,运动着的传送带在某时可添加或取走货物,下降的陨石由于空气的作用发生破碎或者燃烧使质量减少……这些质点系在运动过程中,不断发生系统外的质点并入,或系统的质点分离,以致系统的总质量随时间不断改变,我们称这些系统为变质量系统。
那么该用怎样的方法研究变质量系统的运动情况呢?我们可以假设在任何时刻,系统的分离或并入的质量是小量,两次发生分离或并入的时间间隔是小量,在这些理想的假设下,离开质点系的质量)(m 2t 和进入质点系的质量)(1t m 是时间的连续可微函数,如果系统的质量m t在t=0时刻为m 0,则它随着时间的变化规律为)()()(21t t t m m m m +-=,那对应的关于质量的一些物理量也是对时间的可微函数,得到微分方程后,进行积分,问题可解决。
设变质量质点的质量m 是时间t 的函数,即m =m (t )。
在瞬时t ,质点的质量为m (t ),质点对于定坐标系Oxyz 的速度为v (图1),即将与之合并的微粒的质量为d m (t ),其对Oxyz 的速度为u 。