非勻速旋轉參照系中尤拉加速度和尤拉力如何推導

時間 2021-06-03 06:34:25

1樓:Sakura

慣性張量是慣性矩的廣義度量,物體靜止在不同參考座標系下其慣性張量不同;同理,座標不變物體變化慣性張量也會變化。所以不是常量

S( )點乘向量就等於 叉乘向量

所以力矩對時間求導由尤拉加速度和向心加速度組成。

2樓:宮非

2019-03-31

在經典力學,尤拉加速度是在非均勻旋轉的參考係中分析運動時出現的加速度,尤拉力是乙個物體受的假想力,與尤拉加速度有著F=ma 的關係,其中a 是尤拉加速度、m 是物體的質量。得出公式:

----- (1)

其中,ω 是旋轉參考係的角速度、r 為加速度所處的點相對旋轉軸的向量。接著,由尤拉第一定律可得出尤拉力,

----- (2)

接著,我們來嘗試推導尤拉加速度。

Oxyz 為本徵系,任選基點A,建立平動系 Axyz 和剛體固連繫 AXYZ ,假定初速時刻 Axyz 和 AXYZ 重合,記 :

推論 1 :R 隨時間變化規律與ω 之間滿足尤拉公式:

其中,ω 為角加速度、R=AP(t)。

證明,OP=OA+AP=OA+R

----- (3)

得 推論 2:以ω 轉動的任意恆模向量u 均滿足尤拉公式:

其中,ω 為角加速度、u 為任意恆模向量。

證明在上圖剛體上找一點P,使得其對應向量R 與u 同向即可。

定理:P 點加速度可表示為

其中,ω 為角加速度、ω×R 為轉動加速度、ω×(ω×R) 為向軸加速度。

證明直接對速度公式求導,並利用尤拉公式即可。得

----- (4)

注:我們現在用的牛頓第二定律F=ma,其實並不是Newton 寫出來的,而是1736 年由 Johann Bernoulli 推導出來的。不過,Newton 當初將「運動量」定義為「質量與速度的乘積」,也就是目前大家所知的「動量」(一般用符號P 來表示)。

因此,若以數學式來寫,應該是F=△P/△t 或以微分的形式寫成F=dP/dt,而不是F=ma。

到底是牛頓第二定律推導出動量守恆定律,還是牛頓第二定律只是動量守恆定律的乙個表現?

換言之,Newton 並沒有寫出F=ma,那究竟是誰最早寫出來的?其實,回顧 Euler之著作,他終其一生也沒有正式寫出來F=ma 的確定關係,目前查到最早寫出 F=ma 的是Euler的老師 Johann Bernoulli,這可以從他在1736 年的著作找到,而Leonhard Euler 卻是在1750 年才推導出來的。

實際上,尤拉加速度通常被忽略。舉個例子,考慮到地球是乙個自己旋轉的非慣性係。如果取地球為參考係,則只需要計算離心力、科氏力和rectilinear 力。

但因為地球自轉加速度實在太小,在近似計算中歐拉力就不用管了。

3樓:陳江南

不是物理專業,物理學得也並不好,不過正好最近在學這個,就當是複習一下了,不知道題主是否還需要這個問題的答案。

首先設定兩個參考係,其中A參考係相對空間靜止,B參考係相對空間(也相對A參考係)運動,且運動包括平移和轉動。兩個參考係皆用空間直角座標系表示,A系三座標軸為x、y、z,B係為ξ、η、ζ。在A系中三個方向的單位向量為a1a2a3,在B系中三個方向的單位向量為b1b2b3(文中向量我用斜體加粗表示,圖中所有向量用下加波浪線表示)。

先選取一向量qq為任意一向量,例如可為位置向量、速度向量),則有:

上兩等式中,x、y、z以及ξ、η、ζ均為時間的函式。

接下來將q分別在A系與B系中對時間求導:

圖中左上標表示該導數所處參考係。一般情況下,q對時間的導數在兩座標係中不相等,即:

如將式(2)在參照系A中對時間求導,由於單位向量b1b2b3在參照系A中隨時間發生改變(改變來自於B系相對A系的旋轉運動),因此有:

由上圖看到等式右側頭三項的和即為q在B系中對時間的導數,現需確定單位向量b1b2b3在A系中對時間的導數。

之前提到,單位向量b1b2b3在A系中發生變化的原因是B系相對於A系的旋轉運動(只有平移時b1b2b3不隨時間發生變化)。因此需要確定B系相對A系的旋轉角速度AωB。此角速度的大小為B系相對A系旋轉的快慢程度,方向為旋轉軸方向(右手螺旋法則)。

見下圖:

圖中,對一單位向量bi,其與轉軸夾角為β,尖端畫出的圓半徑為r,bi的改變量為dbi,其垂直於bi、r與轉軸。旋轉過的角度為dφ。於是有:

其中,e為dbi的方向向量,其方向為AωBbi的向量積方向,大小為1,即:

因此:於是有:

最後得到的這個等式非常重要,會是後面推導速度合成定理與加速度合成定理的關鍵,暫且稱其為「重要等式」。

,相對動系的位置向量為rQPr rel(相對位置向量:relative position)以及動系原點Q相對靜系原點O的位置向量rOQ,則有:

現在計算質點P相對靜系的速度即P的絕對速度:

利用重要等式,推導的出:

現推導P點的絕對加速度,角標含義同上:

整合上式,得出:

至此得出加速度的所有組成部分,也包括題主問及的尤拉加速度。

至於尤拉力,其同離心力一樣為慣性力的一種,方向與對應加速度相反,大小為對應加速度乘上質點的質量m,即:以上。

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