Центральная сила

В классической механике центральная сила , действующая на объект, — это сила , направленная к точке, называемой центром силы, или от нее . ^[а]^[1]^: 93 ${\vec {F}}=\mathbf {F} (\mathbf {r} )=\left\vert F(\mathbf {r} )\right\vert {\hat {\mathbf {r} }}$ где ${\textstyle {\vec {F}}}$ — сила, F — векторная силовая функция , F — скалярная силовая функция, r — вектор положения , || р || это его длина, и ${\textstyle {\hat {\mathbf {r} }}=\mathbf {r} /\|\mathbf {r} \|}$ — соответствующий единичный вектор .

Не все центральные силовые поля консервативны или сферически симметричны . Однако центральная сила консервативна тогда и только тогда, когда она сферически симметрична или вращательно-инвариантна. ^[1]^: 133–38

Характеристики

Центральные силы, которые являются консервативными, всегда могут быть выражены как отрицательный градиент потенциальной энергии : $\mathbf {F} (\mathbf {r} )=-\mathbf {\nabla } V(\mathbf {r} )\;{\text{, where }}V(\mathbf {r} )=\int _{|\mathbf {r} |}^{+\infty }F(r)\,\mathrm {d} r$ (верхняя граница интегрирования произвольна, поскольку потенциал определен с точностью до аддитивной константы).

В консервативном поле полная механическая энергия ( кинетическая сохраняется и потенциальная): $E={\tfrac {1}{2}}m|\mathbf {\dot {r}} |^{2}+{\tfrac {1}{2}}I|{\boldsymbol {\omega }}|^{2}+V(\mathbf {r} )={\text{constant}}$ (где ' ṙ' обозначает производную ' r' по времени, то есть скорость , ' I' обозначает момент инерции этого тела, а ' ω' обозначает угловую скорость ), а в центральном силовом поле так угловой момент : $\mathbf {L} =\mathbf {r} \times m\mathbf {\dot {r}} ={\text{constant}}$ поскольку крутящий момент , создаваемый силой, равен нулю. Как следствие, тело движется в плоскости, перпендикулярной вектору момента импульса и содержащей начало координат, и подчиняется второму закону Кеплера . (Если момент импульса равен нулю, тело движется вдоль линии, соединяющей его с началом координат.)

Также можно показать, что объект, движущийся под действием какой-либо центральной силы, подчиняется второму закону Кеплера. Однако первый и третий законы зависят от природы обратных квадратов закона всемирного тяготения Ньютона и в целом не справедливы для других центральных сил.

Вследствие консервативности эти конкретные центральные силовые поля являются безвихревыми, то есть их ротор равен нулю, за исключением начала координат : $\nabla \times \mathbf {F} (\mathbf {r} )=\mathbf {0} .$

Примеры

Гравитационная сила и сила Кулона — два знакомых примера. $F(\mathbf {r} )$ пропорциональна 1/ r ² только. Объект в таком силовом поле с отрицательным $F(\mathbf {r} )$ (соответствующая силе притяжения) подчиняется законам движения планет Кеплера .

Силовое поле пространственного гармонического осциллятора является центральным с $F(\mathbf {r} )$ пропорционален только r и отрицателен.

По теореме Бертрана эти два, $F(\mathbf {r} )=-k/r^{2}$ и $F(\mathbf {r} )=-kr$ , являются единственными возможными центральными силовыми полями, где все ограниченные орбиты являются устойчивыми замкнутыми орбитами. Однако существуют и другие силовые поля, имеющие замкнутые орбиты.

См. также

Примечания

^ В этой статье используется определение центральной силы, данное Тейлором. ^[1]^: 93 Другое распространенное определение (используемое в ScienceWorld ^[2]) добавляет ограничение, согласно которому сила должна быть сферически симметричной, т.е. ${\vec {F}}=\mathbf {F} (\mathbf {r} )=F(\|\mathbf {r} \|){\hat {\mathbf {r} }}$ .

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Тейлор, Джон Р. (2005). Классическая механика . Саусалито, Калифорния: Univ. Научные книги. ISBN 1-891389-22-Х .
^ Эрик В. Вайсштейн (1996–2007). «Центральная сила» . Мир Науки . Вольфрамовые исследования . Проверено 18 августа 2008 г.

[3] В этой статье используется определение центральной силы, данное Тейлором. ^[1]^: 93 Другое распространенное определение (используемое в ScienceWorld ^[2]) добавляет ограничение, согласно которому сила должна быть сферически симметричной, т.е. ${\vec {F}}=\mathbf {F} (\mathbf {r} )=F(\|\mathbf {r} \|){\hat {\mathbf {r} }}$ .

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Тейлор, Джон Р. (2005). Классическая механика . Саусалито, Калифорния: Univ. Научные книги. ISBN 1-891389-22-Х .

[wolfram-2] Эрик В. Вайсштейн (1996–2007). «Центральная сила» . Мир Науки . Вольфрамовые исследования . Проверено 18 августа 2008 г.

[а]

[1]

[2]