有心力

有心力

向一確定的固定點或動點吸引的力,或從一確定的固定點或動點排斥開的力 。作用力可以分類為有心力與非有心力。有心力的方向永遠指向一個固定點或動點;稱此點為力中心點。許多宇宙最基本的力,像萬有引力、靜電力,都是有心力。而洛倫茲力的磁力部分則乃非有心力。

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 Fr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。

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