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(知識點)轉動體系下的對偶原理和轉化方法

2024-03-14 21:34:20課外拾零65

體育運動一般可以分為兩類:57m物理好資源網(原物理ok網)

沿某一方向移動的平移運動,如直行火車,57m物理好資源網(原物理ok網)

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繞某一點(圓)移動的旋轉,例如轉彎的火車,57m物理好資源網(原物理ok網)

這兩類動作有各自的描述規則,并且可以相互轉化,即:57m物理好資源網(原物理ok網)

物體運動系統有兩個:平移系統+旋轉系統57m物理好資源網(原物理ok網)

概述:57m物理好資源網(原物理ok網)

我們一般都熟悉平移系統下的運動,比如長度、速度、力,這些都是平移系統下的概念。 但顯然,生活中有很多運動是以旋轉為主的,比如陀螺的運動。 當然,你可以用平移系統來分析陀螺儀的運動,但這會很復雜,所以為了簡單起見(其實更重要的原因是在旋轉中分析物理意義更清晰)系統),基于旋轉的運動是使用旋轉系統分析。57m物理好資源網(原物理ok網)

轉換:57m物理好資源網(原物理ok網)

我們可以用精確的數學手段來證明如何制作我們所熟悉的翻譯系統57m物理好資源網(原物理ok網)

速度、位移、力、質量57m物理好資源網(原物理ok網)

進入我們不熟悉的事物57m物理好資源網(原物理ok網)

角速度、角位移、力矩、轉動慣量57m物理好資源網(原物理ok網)

但我覺得57m物理好資源網(原物理ok網)

你無法通過死記硬背來學習物理。57m物理好資源網(原物理ok網)

我寧愿從二元性原理的角度討論如何輕松轉化。57m物理好資源網(原物理ok網)

對偶原理:57m物理好資源網(原物理ok網)

有這樣一個重要的物理原理,叫做對偶原理。 其主要含義是:如果一個物理定律成立,那么與之具有“對稱意義”的物理定律也成立。 (不嚴謹,大概就是這樣)57m物理好資源網(原物理ok網)

以直線行駛的火車為例,我們要研究火車的運動(即對火車做動力學分析),即希望知道以下物理量:火車的速度,火車行駛了多遠(位移),是什么驅動火車前進或阻礙火車向前沖擊的大小(力),以及火車對運動變化的阻力(即慣性,以質量測量)。 同樣,如果我們想研究一個旋轉的陀螺儀,那么我們想知道陀螺儀旋轉的速度有多快(以角速度來衡量)、陀螺儀轉了多少圈或轉了多少角度(角位移)、是否驅動陀螺儀或阻礙陀螺儀。 運動(扭矩)的影響,以及陀螺儀對運動變化的阻力(即慣性,以慣性矩測量)。57m物理好資源網(原物理ok網)

顯然,火車的運動和陀螺儀的運動在一定意義上是對稱的,即存在以下對偶物理量:57m物理好資源網(原物理ok網)

速度 - 角速度57m物理好資源網(原物理ok網)

位移-角位移57m物理好資源網(原物理ok網)

力-力矩57m物理好資源網(原物理ok網)

質量-轉動慣量57m物理好資源網(原物理ok網)

關于扭矩:57m物理好資源網(原物理ok網)

其他三項都很容易理解。 讓我們簡單解釋一下什么是扭矩。57m物理好資源網(原物理ok網)

正如力代表對平動運動的影響,扭矩代表對旋轉運動的影響,顯然兩者是對偶的。57m物理好資源網(原物理ok網)

力矩M的定義:力F到力作用點的距離L,57m物理好資源網(原物理ok網)

即:M=F×L57m物理好資源網(原物理ok網)

注意M、F、L都是粗體字母,即都是向量。 × 為向量叉積運算,其大小為:57m物理好資源網(原物理ok網)

M=F·L·sin(θ),θ為力F與矢量距離L的夾角(稱為矢量直徑,即帶方向的距離),57m物理好資源網(原物理ok網)

(初中物理和高中物理一般都解釋為力與力臂的乘積,但其實可以畫圖看看是否存在sin(θ)關系)57m物理好資源網(原物理ok網)

至于為什么這么定義:57m物理好資源網(原物理ok網)

我不知道這個。 這個答案不能告訴你為什么扭矩是這樣定義的。 我只能說從數學上可以推導出這個定義是正確的(必要條件),但為什么這么定義(充分條件)我不知道。 我猜,定義它存在的目的是為了描述對旋轉運動的影響。 這個定義比較“自然”平動和轉動的定義,即符合物理直覺。57m物理好資源網(原物理ok網)

旋轉系統和平移系統中的物理定律:57m物理好資源網(原物理ok網)

從對偶原理可以看出,對偶系統中的物理定律也是對偶的,只是具體表現不同。57m物理好資源網(原物理ok網)

示例1:57m物理好資源網(原物理ok網)

位移=速度*時間【平移系統】57m物理好資源網(原物理ok網)

根據對偶原理一步寫成:57m物理好資源網(原物理ok網)

角位移=角速度*時間【旋轉系】57m物理好資源網(原物理ok網)

示例2:57m物理好資源網(原物理ok網)

速度變化=速度變化率(即加速度)*時間【平移系統】57m物理好資源網(原物理ok網)

角速度變化=角速度變化率(即角加速度)*時間【旋轉系統】57m物理好資源網(原物理ok網)

這些都是顯而易見的,對吧? 來來來,我來個大動作:57m物理好資源網(原物理ok網)

示例3:57m物理好資源網(原物理ok網)

F=m*a[平移系統中的牛頓第二定律]57m物理好資源網(原物理ok網)

M=I*β [旋轉系統中的牛頓第二定律],其中M是力矩,I是轉動慣量,β是角加速度57m物理好資源網(原物理ok網)

老司機坐穩,我繼續加速:57m物理好資源網(原物理ok網)

示例4:57m物理好資源網(原物理ok網)

F1=F2[平動系統中力的平衡條件(物體不動的條件)]57m物理好資源網(原物理ok網)

M1=M2【旋轉系統下扭矩平衡條件(物體不旋轉的條件)】57m物理好資源網(原物理ok網)

順便說一下,示例 4 回答了這個問題。 動力到動力臂的距離就是動力矩(因為有使物體運動的傾向,所以稱為動力矩。同理,另一個就是阻力矩)。 動力矩大于阻力矩時,就好像功率大于阻力,物體就旋轉(移動)。 注意,這里舉石頭的過程平動和轉動的定義,其實是一個比較“旋轉”的過程。57m物理好資源網(原物理ok網)

這種平移和旋轉的雙重性質可以很容易地將平移系統下的所有物理定律轉化為旋轉系統下的物理定律,例如動量守恒——角動量守恒就是一個很好的例子。57m物理好資源網(原物理ok網)

擴張:57m物理好資源網(原物理ok網)

顯然,平移系統和旋轉系統具有對偶性,但對偶性不僅僅指平移系統和旋轉系統。57m物理好資源網(原物理ok網)

比如電磁學中,電路和磁路也具有雙重屬性,所以電路中的電阻、電壓(壓降)、電流也有磁路中相應的磁阻和磁壓(最好是磁壓這個詞)。 我創造的應該叫磁壓降),磁通量等概念是對偶的,電路中的歐姆定律和其他定律也與磁路中的歐姆定律直接對偶。 可以說,對偶原理廣泛存在于物理學的各個方向,是物理學的基本原理之一。 但要用好它而不是不敢對偶或隨意對偶,需要建立一定程度的物理直覺。57m物理好資源網(原物理ok網)

我認為,57m物理好資源網(原物理ok網)

建立身體直覺,57m物理好資源網(原物理ok網)

這才是真正學習物理所應該學習的。57m物理好資源網(原物理ok網)

這種思維方式的鍛煉,57m物理好資源網(原物理ok網)

也是對不從事科學研究的普通人最好的回饋。57m物理好資源網(原物理ok網)

我來打個小廣告吧。 我自己寫了與高中物理有關的答案。 高中生讀了這些書應該會有所收獲。 記住不要只保存而不喜歡它們~57m物理好資源網(原物理ok網)

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