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牛顿第二定律的深入探讨

牛顿第二定律的深入探讨

作者: nick小站 | 来源:发表于2019-08-20 23:01 被阅读0次

        牛顿说有加速度就有力,力是诱因,加速度是效应,力等于质量与加速度的积。这个定义仅合了数学家的意,却不是个完整的定义。与数学不同,物理要描述的是客观自然界,既要找到力的物质起源,又要搞清楚各类力的独立特性。只有明白了各类力的规律及其表达式,牛二才有无用武之地。下面结合一维运动与二维运动两个示例具体说明。

        1、一维运动以弹簧提重物装置为例。

        弹簧在悬挂重物时,重物的重力被弹簧的原始伸长平衡。在平衡位置向下拉重物,弹簧向上拉;若向上推它,弹簧又向下推。推或拉距离平衡位置越远,弹簧力越大,并且准确地与离开平衡位置的位移成正比,即在弹簧弹性限度内,弹簧弹力的表达式为 F= kx。

此时结合牛二得到动力学方程为:-kx=m\frac{d²x}{dt²}     ①

m/k的值不会影响动力学求解特征,为简化计算,令m/k=1。得到加速度与位移的关系:

-x(t)= a(t);                          ②

由运动学公式有:

x(t+\varepsilon )=x(t)+\varepsilon a(t);            ③       

v(t+\varepsilon )=v(t)+\varepsilon a(t) 。            ④     

在 t+\varepsilon 时间段内,a(t)与v(t)是变化的,为了更精确求解,上面的运动学公式可修正为:

x(t+\varepsilon )=x(t)+\varepsilon a(t+\frac{\varepsilon }{2} );        ⑤

v(t+\frac{\varepsilon }{2} )=v(t-\frac{\varepsilon }{2} )+\varepsilon a(t)。        ⑥

我们取时间间隔 \varepsilon =0.1s,令初始位置x=1,此时v=0。结合式子②⑤⑥,逐步计算可得到下表数值:

        表1 中,红线代表所在位置的力产生的加速度,蓝线表示加速度产生速度,黄线表示速度产生了新的位移。如此往复,会得到一条近似 x=cos t 的曲线,而 x=cos t 是这个问题的精确数学解。

        2、二维情况以地球绕日运动为例。

        为简化计算,假定太阳无限重,在xoy二维平面的原点位置,地球在平面内运动, 力沿着行星与太阳连线的方向。太阳与地球之间的引力表达式为:F=\frac{GMm}{r²} 。根据分解在坐标轴上的力与位置坐标形成的相似三角形,得到动力学方程为:

\frac{Fx}{|F|} =\frac{-x}{r} ;                  ⑦

\frac{Fy}{|F|} =\frac{-y}{r} 。                  ⑧

        GM的值不会影响求解特征,为简化计算,令GM=1。取时间间隔 =0.1s,令地球的初始位置x=0.500,y=0.000,初始时刻速度完全在y方向,令Vy=1.63,结合⑤⑥⑦⑧,逐步计算得到下表数值:

        表2 中,红线代表所在位置的力产生的加速度,蓝线表示加速度产生速度,黄线表示速度产生了新的位移。如此往复,会得到一条近似 椭圆的曲线,太阳在焦点上。

        综述可知:1)动力学方程的求解有赖于力的特征。只有牛二与 具体力的表达式相结合,才能求解出物质的运动。2) 牛二在动力学中如何起作用呢?有力会产生加速度,速度改变,从而导致位置改变。在新的位置有新的力产生加新的加速度,如此往复。当取时间间隔无限小时,速度、位置将连续变化。3)牛二对力的定义与各类力的具体规律属于不同的位阶:牛二具有普适性,而各类力的规律是针对物质某一属性的特殊性。

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