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3.3
力的时间和空间累积效应

牛顿运动方程反映了某一瞬时物体所受的力与产生的效果——加速度之间的关系。但是,作为研究力的效果来说,还应注意到两方面的效应,一是力作用下的时间累积效应,一是力作用下的空间累积效应,即力在促使物体运行了一段路程中的累积效应。我们先研究力的时间累积效应。这里定义fdt(或fΔt)为f在dt时间内的冲量,mv为动量,从牛顿第二定律可得:

从而fdt=d(mv ),

它表示,在运动过程中,物体动量的增量即末动量与初动量的矢量差,等于在外力的持续作用下经过某一时间,外力对物体的冲量,这个结论叫动量原理。

由于力的作用是相互的,一物体受到其他物体的对它的作用力,同时它对其他物体也有反作用力,使其他物体的动量发生变化。由于作用力的冲量与反作用力的冲量等值反向,因此,一物体的动量增量等于其他物体的动量负增量。可以证明,如果几个物体组成一个系统,且系统不受外力的作用(或合外力为零,)尽管系统内各物体在内力作用下,各物体的动量发生了变化,但是系统的总动量的改变为零,即总动量不变,即

这就是动量守恒定律。在实际应用中,常用相应的分量式来表示。根据分量式,我们又可进一步得出,如果物体(或系统)所受各个外力在某方向上的分量代数和为零,那么系统的总动量在该方向上的分量保持不变。

动量守恒定律在工程上有很多应用,如火箭和喷气飞机的飞行就是它的一个具体的应用。

在自然界中经常会遇到质点围绕着一定的中心转动的情况,为了描述这类活动,和我们在前面讨论曲线运动的想法类似,引入了角动量的概念,其定义是:质点在某时刻的角动量L等于它的径矢r和动量P的矢量积,即

其单位是千克·米 2 /秒(kg·m 2 /s。)应当注意,同一质点相对于不同定点的角动量有不同的大小和方向,因此,在谈到角动量时必须指明是对哪个点而言的,否则没有意义。

前面,讨论了力的时间累积效应,从时空的另一个侧面有必要讨论力的空间累积效应。

“功”的概念是人们在长期的生产实践和科学研究中逐步形成的。功是描述力的空间累积作用的物理量。在力学中,“功”的定义很明确。恒力的功的定义是:力对物体所作的功等于力作用于位移方向的分量和作用点位移大小的乘积。譬如水平面上有一物体(图3.9(a),)在水平恒力f的作用下沿力的方向运动,位移为s,那么力f对物体所作的功A等于f的大小和位移s的大小的乘积,即

如果f和s不在同一方向,两者之间的夹角为α(图3.9(b),)那么对于一个有一定形状和大小的物体来说,计算某力对物体的作的功,应注意到力的作用点的位移。即

从上式可知功有正负。当α<π/2时,功为正值,也就是力对物体作正功。当α>π/2时,功为负值,也就是力对物体作负功,或者说,物体反抗外力而作功。

图3.9 功的定义

功本身是标量,没有方向的意义。当力的作用点没有位移时也就没有作功;当力和位移相互垂直时,也没有作功。例如,物体作曲线运动,法向的力便不作功。

现在再来讨论变力作功的问题。为简单起见,先讨论力和位移同方向,力的大小随物体所在位置不同而改变的情况,设运动方向为x轴的正方向,力f是物体位置坐标x的函数,用f(x)表示,我们来计算变力f在全部路程(从x 1 到x 2 )中所作的功。

由于f是变力,所以我们要把全部路程分成许多微小的位移元,如图3.10所示的Δx i 等,在各段微小位移元内,力可视为不变。于是力在第i段位移元中所作的元功是

而力的全部路程中的总功是所有元功的累加,即

如所取位移元为无限小,上式可改写为积分式

所以功的量值,在示功图里,准确地等于变力曲线(即f-x图线)与x轴在x 1 与x 2 之间的面积(图3.10)。

变力 f 也可能在方向和量值上都在改变,因而物体作曲线运动(图3.11。)在曲线运动中,我们必须知道在曲线路程上每一位移元Δs i 处,力f i 和位移元Δs i 之间的夹角α i ,所以元功为

图3.10 示功图

图3.11 变力作功

将变力使物体从a点移动到b点过程中的总功用积分式表示,有

式中r a 、r b 表示运动物体的起点和终点的位置矢量。

假如有许多力同时作用于同一物体,我们不难证明合力的功等于各分力的功的代数和。

功的量纲是ML 2 T -2 。在国际单位制中,功的单位是牛·米(N·m,)称为焦[耳](符号J;)在工程制中,是千克力·米,没有专门名称。此外,在电工学中还常用千瓦小时(kW·h)作为功的单位,且有

功率

在实际问题中,不仅要知道力所作的功,并且要知道完成这一功的快慢,因此要提出功率这一物理量,即单位时间内所作的功。设在时间Δt内完成功ΔA,则在这段时间内的平均功率是 当Δt趋近于零时,平均功率的极限值称为某时刻的瞬时的功率,即 上式说明瞬时功率等于力的速度方向的分量和速度大小的乘积。

功率的量纲是ML 2 T -3 ,在国际单位制中,功率的单位是焦·秒 -1 (J·s -1 ,)称为瓦[特](W)。 PHg+LNP7VLkoMNB9SZVOlPBmXakItMBDM4RrIHOf0V0Wl+481rzlo7hSCapN9nXT

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