Центральная сила - Central force - Wikipedia

В классическая механика, а центральная сила на объекте сила которая направлена ​​вдоль линии, соединяющей объект и начало координат:[а][1]

где это сила, F это векторнозначная силовая функция, F - скалярная силовая функция, р это вектор положения, ||р|| это его длина, а = р/||р|| соответствующий единичный вектор.

Не все центральные силовые поля консервативный или сферически симметричный. Однако центральная сила консервативна тогда и только тогда, когда она сферически симметрична.[2]

Характеристики

Консервативные центральные силы всегда можно выразить как отрицательные градиент из потенциальная энергия:-

(верхняя граница интегрирования произвольна, так как потенциал определяется вплоть до аддитивная константа).

В консервативной области общая механическая энергия (кинетический и потенциал) сохраняется:

(куда р обозначает производная из р относительно времени, то есть скорость ), так и в центральном силовом поле угловой момент:

поскольку крутящий момент прилагаемая сила равна нулю. Как следствие, тело движется по плоскости, перпендикулярной вектору углового момента и содержащей начало координат, и подчиняется Второй закон Кеплера. (Если угловой момент равен нулю, тело движется по линии, соединяющей его с началом координат.)

Также можно показать, что объект, который движется под действием любой центральная сила подчиняется второму закону Кеплера. Однако первый и третий законы зависят от природы обратных квадратов. Закон всемирного тяготения Ньютона и вообще не держатся за другие центральные силы.

Вследствие консервативности эти специфические центральные силовые поля являются безвихревыми, то есть завиток равно нулю, кроме места происхождения:

Примеры

Гравитационная сила и Кулоновская сила два знакомых примера с будучи пропорционально 1 /р2 только. Объект в таком силовом поле с отрицательной (соответствует силе притяжения) подчиняется Законы движения планет Кеплера.

Силовое поле пространственного гармонический осциллятор является центральным с пропорционально р только и отрицательный.

К Теорема Бертрана, эти двое, и , являются единственно возможными центральными силовыми полями, где все ограниченные орбиты являются устойчивыми замкнутыми орбитами. Однако существуют и другие силовые поля, у которых есть замкнутые орбиты.

Примечания

а В этой статье используется определение центральной силы, данное у Тейлора.[1] Другое распространенное определение (используется в ScienceWorld[3]) добавляет ограничение, что сила должна быть сферически симметричной, т. е. .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Тейлор, Джон Р. (2005). Классическая механика. Саусалито, Калифорния: Univ. Научные книги. п. 93. ISBN  1-891389-22-X.
  2. ^ Тейлор, Джон Р. (2005). Классическая механика. Саусалито, Калифорния: Univ. Научные книги. С. 133–38. ISBN  1-891389-22-X.
  3. ^ Эрик В. Вайсштейн (1996–2007). «Центральная сила». ScienceWorld. Wolfram Research. Получено 2008-08-18.