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有心力

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物理学里,作用力可以分类为有心力(central force)与非有心力。有心力的方向永远指向一个固定点;称此点为力中心点。许多宇宙最基本的力,像万有引力静电力,都是有心力。而洛伦兹力磁力部分则乃非有心力[1]。有心力以方程表达为

其中,是有心力,是从力中心点到检验位置的径向矢量。

有心力可以进一步细分为两种版本:强版本和弱版本。强版有心力要求有心力跟径向距离有关:

弱版有心力没有这严厉的条件。在物理学里,大多数重要的有心力都是强版有心力;简单摆的绳索作用于摆锤的拉力是一种弱版有心力,这拉力的方向是径向方向,但对于小角度摆动,拉力的大小可以近似为一个常量,是摆锤感受到的重力大小。

角动量恒定[编辑]

假设一个粒子,感受到有心力的作用,则施加于此粒子的力矩为零:

角动量对于时间导数是力矩:

所以,角动量守恒,是个常数。

平面运动[编辑]

关于此粒子的运动,

此粒子的位置矢量垂直于恒定的角动量,所以,此粒子的运动必局限于垂直于角动量的平面。

平面速度恒定[编辑]

采用极坐标系来表示此粒子的平面运动,原点为力中心点。则角动量为

这里,是粒子的质量、是角速度。

粒子与力中心点的连线,扫过的平面的平面速度

所以,受有心力作用的粒子与力中心点的连线,扫过的平面,速度恒定。

连心势[编辑]

假若有心力是一个函数的负梯度

则有心力是保守力

  • 对于任何简单的闭合回路,有心力所做的机械功是0:

此函数是一个标势,注意到由于,标势只能跟有关:

连心势。有心力也只能跟有关:

这有心力是强版有心力。

有效势能[编辑]

一个运动于势能的粒子的拉格朗日量等于动能减去势能:

拉格朗日方程

其中,为有心力。

由于连心势与角坐标无关,因此其共轭动量角动量)是个运动常数:

为了善用此运动常数,应用勒让德变换转到相空间得到哈密顿量和运动方程:

因此,可得到粒子的径向运动等同于一个在以下有效势能中的一维运动:

星体在万有引力下运动的有效势能是:

因此可以看到,有效势能所造成的作用力,在短距离因为角动量守恒项目而排斥,在远距离因为万有引力项目而吸引。两者平衡点-即有效势能最低点-正是圆形轨道半径。

有心运动的轨迹的确定[编辑]

有心力的运动轨道可以用比内(Binet)公式来计算。在平面极坐标系中,如果令:

其中为物体做有心运动时的角动量,则有:

解这个微分方程[2]可以得到运动轨迹的半径与角度的关系[3]

平方反比类有心力的运动轨迹方程[编辑]

将大小与到力心位置距离成平方反比的有心力表示为:,将它代入上述的方程,得到:

通过移项整理,可以得到一个二阶常系数线性非齐次方程:

的式子,其中为移项整理后关于这个多项式的外层系数。通过类比弹簧振子简谐运动方程的求解方法[4],可以类似地解得上述方程的通解:

可以看出,其运动轨迹为圆锥曲线中的一种。

任意幂次有心力的情况[编辑]

物体在有心力作用下的运动情况常常涉及复杂的二阶线性非齐次方程,表现为非线性动力学问题[5]。作为特殊情况,当有心力可以表示为反比或者平方反比时,通常可以像以上算法来简化微分方程的求解,这也给天文学家分析问题带来了很大的方便[6]。但是其他幂次的情况则复杂得多。

参阅[编辑]

注释和参考文献[编辑]

  1. ^ Goldstein, Herbert. Classical Mechanics 3rd. United States of America: Addison Wesley. 1980: pp. 7. ISBN 0201657023. 
  2. ^ 这是个二阶常系数非齐次线性方程。
  3. ^ 陈世民. 理论力学简明教程. 高等教育出版社. : 49页. ISBN 978-7-04-023918-8. 
  4. ^ 弹簧振子简谐振动的运动微分方程有通解为:,其中为积分常数,可以通过初始条件确定;,为简谐振的角速度。
  5. ^ 陈世民. 理论力学简明教程. 高等教育出版社. : 63页. ISBN 978-7-04-023918-8. 
  6. ^ 万有引力即是典型的平方反比类型的力。