經典力學方程列表

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經典力學物理學描述宏觀物體運動的分支。[1]是最熟悉的物理學理論。涵蓋如常用和已知的加速度[2]本列表基於具固定軸的三維歐幾里得空間參考系。三軸的交點稱為此空間的原點[3]

經典力學概念包括微分方程流形李群遍歷理論。各種物理量相互關聯[4]。本列表總結了其中最重要的內容。

本文列出了牛頓力學的方程,有關經典力學(包括拉格朗日力學哈密頓力學)的更一般公式,請參閱分析力學

經典力學

質量與慣量

通用名 通用符號 定義 國際單位制 量綱
線/表面/體積質量密度 λ或μ用於線密度(μ主要用在声学),σ用於表面,ρ用於體積。 m=λd

m=σdS

m=ρdV

kg mn, n = 1, 2, 3 M Ln
質量矩[5] m (沒有通用符號) 點質量:

𝐦=𝐫m

相對固定軸xi的離散質量: 𝐦=i=1N𝐫imi

相對固定軸xi的連續質量: 𝐦=ρ(𝐫)xid𝐫

kg m M L
質心 rcom

(符號不一定)

i個質量 𝐦i=𝐫imi

離散質量: 𝐫com=1Mi𝐫imi=1Mi𝐦i

連續質量: 𝐫com=1Md𝐦=1M𝐫dm=1M𝐫ρdV

m L
二體約化質量 m12, μ= m1 and m2 μ=m1m2m1+m2 kg M
轉動慣量(MOI) I 離散質量:

I=i𝐦i𝐫i=i|𝐫i|2m

連續質量: I=|𝐫|2dm=𝐫d𝐦=|𝐫|2ρdV

kg m2 M L2

導出的運動學物理量

經典粒子的運動學物理量:質量m、位置r、速度v、加速度a
通用名 通用符號 定義 國際單位制 量綱
速度 v 𝐯=d𝐫dt m s−1 L T−1
加速度 a 𝐚=d𝐯dt=d2𝐫dt2 m s−2 L T−2
加加速度 j 𝐣=d𝐚dt=d3𝐫dt3 m s−3 L T−3
Template:Tsl s 𝐬=d𝐣dt=d4𝐫dt4 m s−4 L T−4
角速度 ω ω=𝐧^dθdt rad s−1 T−1
角加速度 α α=dωdt=𝐧^d2θdt2 rad s−2 T−2
加加速度 ζ ζ=dαdt=𝐧^d3θdt3 rad s−3 T−3

導出的動力學物理量

經典力學下物質的角動量。

左: 固有的自旋角動量S是物體每一點的軌道角動量

右: 對應一個軸的外在軌道角動量L

上:轉動慣量 I以及角速度ωL不一定會和ω平行)[6]

下:動量p以及其相對於軸的位置r

。總角動量(spin + orbital)為J
通用名 通用符號 定義 國際單位制 量綱
动量 p 𝐩=m𝐯 kg m s−1 M L T−1
F 𝐅=d𝐩/dt N = kg m s−2 M L T−2
冲量 J, Δp, I 𝐉=Δ𝐩=t1t2𝐅dt kg m s−1 M L T−1
相對一點r0角动量 L, J, S 𝐋=(𝐫𝐫0)×𝐩

若各質點的旋轉軸均相交在同一點,可以設定r0 = 0

kg m2 s−1 M L2 T−1
力相對一點r0力矩 τ, M τ=(𝐫𝐫0)×𝐅=d𝐋dt N m = kg m2 s−2 M L2 T−2
角衝量 ΔL (沒有通用符號) Δ𝐋=t1t2τdt kg m2 s−1 M L2 T−1

一般能量定義

Template:Main article

通用名 通用符號 定義 國際單位制 量綱
合力産生的 W W=C𝐅d𝐫 J = N m = kg m2 s−2 M L2 T−2
力學系統所作的功 WON, WBY ΔWON=ΔWBY J = N m = kg m2 s−2 M L2 T−2
勢能 φ, Φ, U, V, Ep ΔW=ΔV J = N m = kg m2 s−2 M L2 T−2
機械功率 P P=dEdt W = J s−1 M L2 T−3

每一個保守力都有對應的势能。根據以下二個原理,可以設定勢能U的值:

  • 保守力為零的時候,勢能也定義為零。
  • 保守力作功時,勢能減少。

廣義力學

Template:Main article

通用名 通用符號 定義 國際單位制 量綱
廣義座標 q, Q 不一定 不一定
廣義速度 q˙,Q˙ q˙dq/dt 不一定 不一定
廣義動量 p, P p=L/q˙ 不一定 不一定
拉格朗日量 L L(𝐪,𝐪˙,t)=T(𝐪˙)V(𝐪,𝐪˙,t)

其中𝐪=𝐪(t)以及 p = p(t) 分別是廣義座標以及動量的向量,是時間的函數。

J M L2 T−2
哈密顿量 H H(𝐩,𝐪,t)=𝐩𝐪˙L(𝐪,𝐪˙,t) J M L2 T−2
作用量,哈密頓主函數 S, 𝒮 𝒮=t1t2L(𝐪,𝐪˙,t)dt J s M L2 T−1

運動學

在以下轉動的定義中,角度是對應轉動軸的位意角度。一般常用θ,不過不一定要是極座標下的極角。單位軸向量

𝐧^=𝐞^r×𝐞^θ

定義轉動軸𝐞^rTemplate:Math方向上的單位向量,𝐞^θ是和角呈切線的單位向量。

平移 轉動
速度 平均:

𝐯average=Δ𝐫Δt 瞬時:

𝐯=d𝐫dt

角速度ω=𝐧^dθdt轉動刚体𝐯=ω×𝐫
加速度 平均:

𝐚average=Δ𝐯Δt

瞬時:

𝐚=d𝐯dt=d2𝐫dt2

角加速度

α=dωdt=𝐧^d2θdt2

轉動刚体:

𝐚=α×𝐫+ω×𝐯

加加速度 平均:

𝐣average=Δ𝐚Δt

瞬時:

𝐣=d𝐚dt=d2𝐯dt2=d3𝐫dt3

加加速度

ζ=dαdt=𝐧^d2ωdt2=𝐧^d3θdt3

轉動刚体:

𝐣=ζ×𝐫+α×𝐚

動力學

平移 轉動
动量

𝐩=m𝐯

針對轉動剛體:

𝐩=ω×𝐦

角动量

𝐋=𝐫×𝐩=𝐈ω

此外積為赝矢量,若rp都反向(變號),L不會變號。

一般來說,I是二維張量·表示Template:Tsl

牛顿第二运动定律 作用在系統質心上的合力,等於動量的變化率:

𝐅=d𝐩dt=d(m𝐯)dt=m𝐚+𝐯dmdt

針對許多質點的系統,質點i的運動方程式為:[7]

d𝐩idt=𝐅E+ij𝐅ij

其中pi是第i個質點的動量,Fij,是粒子j作用在粒子i上的力,FE是合外力(來自系統以外的物體)。粒子i不會產生給自身的力。

力矩

力矩(torque)τ也稱為moment of a force,是轉動系統中對應力的物理量:[8]

τ=d𝐋dt=𝐫×𝐅=d(𝐈ω)dt

若是剛體,牛頓第二轉動定律的形式類似平移運動下的形式:

τ=d𝐋dt=d(𝐈ω)dt=d𝐈dtω+𝐈α

若針對許多質點,質點i的運動方程為:[7]

d𝐋idt=τE+ijτij

YankTemplate:Anchor Yank是力的變化率:

𝐘=d𝐅dt=d2𝐩dt2=d2(m𝐯)dt2=m𝐣+𝟐𝐚dmdt+𝐯d2mdt2

若是固定質量,會變成下式: 𝐘=m𝐣

Template:Tsl

Rotatum Ρ也稱為moment of a Yank,因為是是轉動系統中對應Yank的物理量:

P=dτdt=𝐫×𝐘=d(𝐈α)dt

衝量 衝量是動量的變化:

Δ𝐩=𝐅dt

針對固定力F

Δ𝐩=𝐅Δt

Twirl或是角衝量是角動量的變化:

Δ𝐋=τdt

針對固定力矩τ

Δ𝐋=τΔt

進動

陀螺的進動角速度為:

Ω=wrIω

其中w是自旋物體的重量。

能量

系統以外事物對系統所作的機械功等於系統的動能變化:

通用功—能定理(平移及轉動)

系統以外事物,對曲線路徑C上的質點產生力F(在 r的位置)以及力矩τ,所做成的功W為:

W=ΔT=C(𝐅d𝐫+τ𝐧dθ)

其中θ是相對单位向量n所定義軸的轉動角度。

動能

物體一開始的速度為v0,後來的速度為v,其动能變化為: ΔEk=W=12m(v2v02)

彈性勢能

遵守胡克定律的彈簧,若一端固定,拉長後,其Template:Tsl

ΔEp=12k(r2r1)2

其中r2r1是彈簧未固定端,在拉長後以及拉長前的共線座標,方向是往拉長/壓縮的方向,k是彈簧常數。

剛體運動的欧拉方程

Template:Main article

萊昂哈德·歐拉也像牛頓一様,發表了運動定律,可以參見歐拉運動定律。這些定律將牛頓運動定律擴展到剛體的運動上,不過本質是相同的。以下是歐拉提出新的運動方程式[7]

𝐈α+ω×(𝐈ω)=τ

其中I轉動慣量張量.

通用平面運動

Template:See also

前面平面運動的方程可以用在此處,應用上述的定義即可推出動量、角動量等。針對在平面上路徑移動的物體。

𝐫=𝐫(t)=r𝐞^r

以下的結果可應用在質點上。

運動學 動力學
位置

𝐫=𝐫(r,θ,t)=r𝐞^r

速度

𝐯=𝐞^rdrdt+rω𝐞^θ

動量

𝐩=m(𝐞^rdrdt+rω𝐞^θ)

角動量 𝐋=m𝐫×(𝐞^rdrdt+rω𝐞^θ)

加速度

𝐚=(d2rdt2rω2)𝐞^r+(rα+2ωdrdt)𝐞^θ

向心力

𝐅=mω2R𝐞^r=ω2𝐦

其中的m是質量矩(mass moment),科里奥利力

𝐅c=2ωmdrdt𝐞^θ=2ωmv𝐞^θ

科里奥利加速度以及科里奥利也可以寫成:

𝐅c=m𝐚c=2mω×𝒗

連心力運動

針對質量較大的物體,而且因為其他物體所施加的連心力而運動,連心力只和二物體質心的距離有關,其運動方程為:

d2dθ2(1𝐫)+1𝐫=μ𝐫2𝐥2𝐅(𝐫)

定加速度運動方程

僅當加速度恆定時才能使用這些方程式。如果加速度會變化,則必須使用上面的一般微積分學方程,透過積分位置、速度和加速度的定義來找到(見上文) 。

線性運動 旋轉運動
𝐯𝐯𝟎=𝐚t ωω0=αt
𝐱𝐱𝟎=12(𝐯𝟎+𝐯)t θθ0=12(ω0+ω)t
𝐱𝐱𝟎=𝐯0t+12𝐚t2 θθ0=ω0t+12αt2
𝐱nth=𝐯0+𝐚(n12) θnth=ω0+α(n12)
v2v02=2𝐚(𝐱𝐱𝟎) ω2ω02=2α(θθ0)

Template:See also

伽利略座標系變換

在古典(伽利略-牛頓)力學裡,將物理定律從一個慣性或加速(包括旋轉)坐標系(參考坐標系是以定速移動,其中包括零速)變換到另一個坐標系的變換即為伽利略變換。

以下標示r, v, a 的物理量是在坐標系F的位置、速度、加速度物理量,而標示r’, v’, a’ 的物理量是在以相對坐標系F移動速度V或是角速度Ω的坐標系F’的的位置、速度、加速度物理量。相對的,F是以相反的速度(—V or —Ω) 相對於F'移動。此情形類似相對加速度。

運動方式 慣性坐標系 加速坐標系
移動

V = 兩個慣性坐標系F和F'之間的相對定速度
A = 兩個加速坐標系F和F'之間的相對(變)加速度

相對位置

𝐫=𝐫+𝐕t

相對速度 𝐯=𝐯+𝐕

等效加速度 𝐚=𝐚

相對加速度

𝐚=𝐚+𝐀

假想力 𝐅=𝐅𝐅app

轉動

Ω = 兩個慣性坐標系F和F'之間的相對定角速度
Λ = 兩個加速坐標系F和F'之間的相對(變)角加速度

相對角位置

θ=θ+Ωt 相對速度 ω=ω+Ω

等效加速度 α=α

相對加速度

α=α+Λ

假想力矩 τ=ττapp

將向量T轉換到旋轉座標系

d𝐓dt=d𝐓dtΩ×𝐓

機械諧振子

運動方程
物理情況 術語 平移方程 角方程
簡諧運動
(SHM)
Template:Plainlist
  • x = 橫向位移
  • θ = 角位移
  • A =橫向振幅
  • Θ = 角振幅

Template:Endplainlist

d2xdt2=ω2x

解: x=Asin(ωt+ϕ)

d2θdt2=ω2θ

解: θ=Θsin(ωt+ϕ)

非受迫阻尼振动 Template:Plainlist
  • b = 阻尼常數
  • κ = 扭轉常數

Template:Endplainlist

d2xdt2+bdxdt+ω2x=0

解(見下文ω): x=Aebt/2mcos(ω)

諧振頻率: ωres=ω2(b4m)2

阻尼率: γ=b/m

激發的預期壽命(Expected lifetime of excitation): τ=1/γ

d2θdt2+bdθdt+ω2θ=0

解: θ=Θeκt/2mcos(ω)

諧振頻率: ωres=ω2(κ4m)2

阻尼率: γ=κ/m

激發的預期壽命(Expected lifetime of excitation): τ=1/γ

角頻率
物理情況 術語 方程
線性無阻尼非受迫簡諧振子 Template:Plainlist
  • k = 彈簧常數
  • m = 鐘擺質量

Template:Endplainlist

ω=km
線性非受迫阻尼諧振子 Template:Plainlist
  • k = 彈簧常數
  • b = 阻尼係數

Template:Endplainlist

ω=km(b2m)2
低振幅角簡諧振子 Template:Plainlist
  • I = 相對擺動軸轉動慣量
  • κ = 扭轉常數

Template:Endplainlist

ω=κI
低振幅單擺 Template:Plainlist
  • L = 擺錘長度
  • g = 重力加速度
  • Θ = 角振幅

Template:Endplainlist

近似值

ω=gL

精確值可以表示成: ω=gL[1+k=1n=1k(2n1)n=1m(2n)sin2nΘ]

機械振盪的能量
物理情況 術語 方程
簡諧運動能量 Template:Plainlist
  • T = 動能
  • U = 勢能
  • E = 總能量

Template:Endplainlist

勢能:

U=m2(x)2=m(ωA)22cos2(ωt+ϕ)x = A處的最大值: Umaxm2(ωA)2

動能: T=ω2m2(dxdt)2=m(ωA)22sin2(ωt+ϕ)

總能量: E=T+U

阻尼諧振子能源 E=m(ωA)22ebt/m

相關條目

Template:Div col

Template:Div col end

參考資料

Template:Reflist

參考書目

Template:Classical mechanics derived SI units