簡介
編輯在經典力學中,物體上的中心力是指向或遠離稱為力中心的點的力。
F → = F ( r ) = | F ( r ) | r ^ {\displaystyle {\vec {F}}=\mathbf {F} (\mathbf {r} )=\left\vert F(\mathbf {r} )\right\ vert {\hat {\mathbf {r} }}}
其中 F → {\textstyle {\vec {F}}} 是力,F 是向量值力函數,F 是標量值力函數,r 是位置向量,||r|| 是它的長度,并且 r ^ = r / ‖ r ‖ {\textstyle {\hat {\mathbf {r} }}=\mathbf {r} /\|\mathbf {r} \| } 是對應的單位向量。
并非所有的中心力場都是保守的或球對稱的。 然而,中心力是保守的當且僅當它是球對稱的或旋轉不變的。
屬性
編輯保守的有心力總是可以表示為勢能的負梯度:-
F ( r ) = ? ? V ( r ) ,其中 V ( r ) = ∫ | r | + ∞ F ( r ) d r {\displaystyle \mathbf {F} (\mathbf {r} )=-\mathbf {\nabla } V(\mathbf {r} ){\text{, 其中 }}V(\mathbf {r} )=\int _{|\mathbf {r} |}{+\infty }F(r)\,\mathrm {d} r}
(積分的上限是任意的,因為勢能被定義為一個附加常數)。
在保守場中,總機械能(動能和勢能)守恒:
E = 1 2 米 | r ˙ | 2 + 1 2 我 | ω | 2 + V ( r ) = 常數 {\displaystyle E={\frac {1}{2}}m|\mathbf {\dot {r}} |{2}+{\frac {1} {2}}I|\mathbf {\omega } |{2}+V(\mathbf {r} )={\text{常數}}}
(其中 '?' 表示 'r' 相對于時間的導數,即速度,'I' 表示該物體的慣性矩, 'ω' 表示角速度),并且 在中心力場中,角動量也是如此:
L = r × m r ˙ = 常數 {\displaystyle \mathbf {L} =\mathbf {r} \times m\mathbf {\dot {r}} ={\text{常數}}}
因為力施加的扭矩為零。 因此,物體在垂直于角動量矢量且包含原點的平面上運動,并服從開普勒第二定律。 (如果角動量為零,則物體沿著連接它與原點的直線移動。)
還可以證明,在任何中心力的影響下運動的物體服從開普勒第二定律。 然而,xxx和第三定律取決于牛頓萬有引力定律的平方反比性質,一般不適用于其他中心力。
由于保守,這些特定的中心力場是無旋的,也就是說,它的旋度為零,除了原點:
? × F ( r ) = 0 。 {\displaystyle \nabla \times \mathbf {F} (\mathbf {r} )=\mathbf {0} {\text{.}}}
例子
編輯引力和庫侖力是兩個熟悉的例子,其中 F ( r ) {\displaystyle F(\mathbf {r} )} 僅與 1/r2 成正比。 在這種具有負 F ( r ) {\displaystyle F(\mathbf {r} )}(對應于吸引力)的力場中的物體遵守開普勒行星運動定律。
空間諧振子的力場位于 F ( r ) {\displaystyle F(\mathbf {r} )} 的中心,僅與 r 成正比且為負。
根據 Bertrand 定理,這兩個 F ( r ) = ? k / r 2 {\displaystyle F(\mathbf {r} )=-k/r{2}} 和 F ( r ) = ? k r {\displaystyle F(\mathbf {r} )=-kr} 是所有有界軌道都是穩定閉合軌道的xxx可能的中心力場。 然而,還存在其他的力場,它們有一些封閉的軌道。
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