定義
有心力
英文:central force
用方程表達,
F = F( r/r)
這裡, F 是有心力, ( r/r)是徑向單位矢量。
力學性質
角動量守恆
具體證明如下:
μ=[ r× p](表示 μ矢量等於質點的位置矢徑 r與質點的動量 p的外積)
μ是一個物理量,它叫做質點對於坐標系Ⅰ的原點O的動量矩或角動量。若將上式兩邊對時間求導數,首先就可以得到
d μ /dt=[(d r/dt)× p]+[r×(d p/dt)]
根據定義, p是與d r/dt方向相同的矢量,所以右邊第一項為零。則
d μ /dt=[r×(d p/dt)]=[ r× f]
此式表示,動量矩隨時間變化率等於力矩。
我們現在所考慮的,是由n個質點構成的系統,其任何一個質點上都沒有外力作用的情況,所以,如果把式的兩邊分別對j從1到n求和則可得出
∑[1≤j≤n][d μj/dt]=∑[1≤j≤n,1≤k≤n,k>j][( rk- rj)× fjk
在只有有心力作用的情況下,右邊各項便都為零,所以,如果用下式來定義該系統的總角動量
m=∑[1≤j≤n] μj
則有d m/dt=0的關係成立。此式表明,當質點間只有有心力作用,而無外力作用時,系統的總角動量不隨時間變化。也就是說,角動量守恆定律成立。
平面運動
物體只受到有心力作用,以該力的中心為旋轉參考點,角動量守恆;注意到角動量是矢量,故其方向始終不會改變。假設物體不是在某一個固定的平面內運動,則 F與 r所在平面的法向量之方向必然改變,矛盾。
可以推出:若物體只受到有心力作用,則運動保持在某一個平面內。
掠面速度恆定
用極坐標(r,θ)表示受力物體位置,則角動量的大小有如下表達式:
L=m·r^2·dθ/dt
而掠面速度 dS/dt=1/2·r^2·dθ/dt
故dS/dt=L/2m,為恆定值。