理论力学_动力学
动力学部分
动力学的研究对象是质点或质点系(物体,这里主要讨论刚体)的运动与作用力的关系。运动学描述运动本身,动力学建立运动与力的关系;在非惯性系中可引入惯性力,用静力学的平衡方法分析动力学问题(见达朗贝尔原理)。
- 动力学基本方程和定律:质点动力学的基本方程:动力学的基本定律;质点的运动微分方程
- 动量:动量和冲量;质点及质点系的动量定理;质点系的动量守恒定律
- 质心:质心;质心运动定理;质心运动守恒定律
- 动量矩、转动惯量:质点及质点系的动量矩;质点及质点系的动量矩定理;质点系的动量矩守恒定律;动量矩守恒定律的一个推论——面积速度定理;刚体绕定轴转动的微分方程;转动惯量;刚体对轴的转动惯量;质点系相对于质心的动量矩定理;刚体平面运动微分方程;
- 功、动能定理:力的功(重力、弹性力、定轴转动刚体上的力、任意运动刚体力系上的力、摩擦力、刚体内力做功为零、理想约束的约束力做功为零);质点及质点系的动能;柯尼希定理;质点及质点系的动能定理(微分及积分形式)
- 功率:功率;功率方程;力场、势能(保守力做功);机械能守恒定律;
- 使用静力学方法求解动力学问题:达朗贝尔原理(d’Alembert’s principle)
- 虚位移原理:
1 动力学基本定律
牛顿第一定律
惯性定律:在惯性参考系中,若质点所受合力为零,则质点保持静止或匀速直线运动。
牛顿第二定律
在惯性参考系中,质点所受合外力与运动状态的关系如下。当质量 恒定时,力等于质量与加速度的乘积:
⭐动力学02-1:牛顿第二定律(质量恒定)
更一般地,合外力等于动量对时间的一阶导数(适用于变质量等情形):
⭐动力学02-2:牛顿第二定律(一般形式)
延伸:在保守系统中,广义力可写成势能 对广义坐标的负偏导,即 ;相对论中物质场的相互作用由爱因斯坦场方程描述,其意义不同于牛顿意义上的瞬时力。
牛顿第三定律
力是两个物体之间的相互作用:有作用力则必有等大、反向、共线的反作用力。设物体 1 对物体 2 的作用力为 ,则
质点运动微分方程
由牛顿第二定律,有质点运动微分方程:
⭐动力学02-3:质点运动微分方程
其中 为作用在质点上的合外力。作为常微分方程,它建立了位置 对时间 的各阶导数之间的代数关系。若方程对 及其各阶导数线性,且右端对 、 亦为线性函数,则方程为线性 ODE,往往可求解析解;否则一般为非线性,大多难以求得解析解。
2 动量定理
动量 ,冲量 。
质点
⭐动力学02-4:质点的动量定理(微分形式)
其中 为合外力。对时间积分,得积分形式:
质点系
质心
注:刚体运动可视为质点系的运动,一般可分解为质心的平动与绕质心的转动之和。