理论热学一道动力学问题剖析方式诸多,比较难学。为了解决这一学习难点,与目前常见的理论热学教材不同,本书基于自由度,对诸多动力学剖析方式间的内在联系和差别给出了较深刻的剖析,给出了基于自由度怎么选择合适剖析方式的判据,选择合适技巧后基于自由度构建相应方式(例如动静法、功率多项式)的统一剖析格式,使中学生能有规律剖析复杂的动力学问题,致使学习理论热学显得很简单。理论热学快速增强版(运动学)郑慧明华北科技学院理论热学教研室编作者曾经撰写的理论热学万能解题法的未完成定稿,在网上可以浏览。但不少读者来信,希望作者能进一步健全。经过作者的努力,将系统的万能解题法编入华北科技学院理论热学教研室编撰的《理论热学》(第二版,2018.9,华北科技学院出版社,淘宝商城华北科技学院出版社旗舰店有售)。教材篇幅较长,对于一些希望快速增强理论热学的新手来说,本书省去该教材中与大多数教材相同的基本理论部份,节选出新编教材中与传统教材和补习书不同的范式的剖析方式,尽量压缩篇幅,使读者能迅速把握理论热学课程的核心知识,迅速增强理论热学的解题能力。若读者希望进一步增强或欲了解本书中一些推论的详尽证明及其一些例题的详尽解题过程,可阅读完整版教材或华东科技学院出版社出版的《理论热学万能解题法》。
学习时有任何疑惑可加,标明“理力”,与作者阐述。华北科技学院理论热学教研室郑慧明扫下边二维码可下载软件包,下载后,运行软件的安装程序,按照提示要求,便可获得如下理论热学电子资源。985及211等近百所理工科著名高校的历年理论热学研究生入学试卷(按本书方式给出的解答)华交大理论热学教材在线测试题答案解析动力学部份动力学普遍定律上面七章为静力学和运动学内容,我们早已讲过,在静力学中只研究力与力之间的平衡关系,不考虑质点和物体的运动,其主要特点是与时间无关;而在运动学中,只研究在选取参考系中质点和物体的位置随时间变化的剖析方式,不考虑导致这些运动所须要的力。从本章开始研究力与运动之间的关系,这就是动力学。实际上,静力学只是动力学的特殊情况,而运动学是为研究动力学所作的必要的打算。热学研究的最基本物质模型是质点。动力学的科学基础以及整个热学的奠定时期在17世纪。日本化学学家伽利略成立了惯性定理,首次提出了加速度的概念。他应用了运动的合成原理,与静力学中力的平行四边形法则相对应,并把热学构建在科学实验的基础上。日本化学学家牛顿推广了力的概念,引入质量的概念,总结出机械运动的三定理(1687年)。
牛顿()运动定理完整地描述了质点的动力学规律,由牛顿定理可以进一步推导入质点系的动力学规律,因而牛顿定理是动力学的基础,也是整个热学学科的最基本数学定理。艾萨克牛顿(.12.25——1727.3.20.)是美国化学学家、数学家、天文学家和自然哲学家。他在1687日发表的《自然哲学的物理原理》里提出的万有引力定理以及他的牛顿运动定理是精典热学的基石。牛顿把月球上物体的热学和天体热学统一到一个基本的热学体系中,成立了精典热学理论体系,正确地反映了宏观物体低速运动的宏观运动规律,实现了自然科学的第一次大统一。这是人类对自然界认识的一次飞越。牛顿运动定理只解决了单个质点的动力学问题,并且在精典热学范围内,我们遇见的绝大部份热学对象是由好多质点组成的一个集合,即质点系质点系动量定理的内容,如物体(质心、变形体),散体集合(如干沙、煤、谷物等粉体或颗粒物质)等。因为通常质点系中质点的数目庞大、特别是质心由视为无限个质点构成的质点系,质点之间的互相斥力未知,因而企图用牛顿定理得到每位质点的运动规律,通常是不可能的,实际上,也是毋须要的。以牛顿和日本人G.莱布尼兹所发明的微积分为工具,西班牙语文家L.欧拉系统地研究了质点动力学问题,并奠定了质心热学的基础。
从现今开始我们研究质点系的整体动力学基本规律,即动量定律、动量矩定律和动能定律。这3个定律分别有行列式方式和积分方式。对于同一种方式,3个定律只有2个是独立的。动能定律由于不用考虑与速率方向垂直的力(或做功之和为0的一对约束力副),所以在一些情形下代替动量定律和动量矩定律使估算显得简单。应用动量定律、动量矩定律和动能定律,可拿来求解精典热学的动力学问题,通常称为动力学普遍定律,所谓普遍是指它们适用于任何质点系的宏观热学特点研究。鉴于读者在学院化学等前期课程中已了解动力学部份知识,非常是质点动力学,本书重点介绍质心动力学理论。基于循序渐进由浅入深的认知规律,本书先介绍质心平面动力学理论,质心空间动力学的部份理论则采用专题的形式介绍,专题内容请读者依照需求选8.1质点的运动微分等式描述方式矢量式矢量方式的质点运动微分多项式为直角座标方式在直角座标系中,令(8.2)这就是直角座标方式的质点运动微分等式。自然座标方式加速度a和力F在自然轴系中的表达式为(8.3)这就是自然座标方式的质点运动微分等式。以上微分多项式均为二阶多项式质点系动量定理的内容,每位位移变量的通解中有两个待定常数,须要两个初始条件能够定解,如多项式中的位移座标。
为此,在没有应用初始条件之前,每位位移及其速率(位移的一阶行列式)是可以独立取值的,即它们是互相独立的变量。类似于点的运动学所述,上述3种描述牛顿第2定理的方式各有校长。矢量法通常用于推论动力学原理(例如动量定律、动能定律);自然座标方式中的法向加速度为已知量,致使在动力学问题中要进一步补充运动学加速度关系的等式中未知量变少。上述给出的是质点在惯性系中的运动与力之间的关系。研究质点在非惯性系中的运动与力之间的关系,可解决一些实际问题,例如,交通工具上质点的相对运动,流体质点在转动座标系中的运动,高速、大范围运动物体(子弹、导弹、飞船等)相对月球的运动等。本书重点介绍质心动力学问题,关于质点在非惯性系中的运动与力之间的关系,读者可阅读“专题2点相对运动动力学”。8.2动量定律8.2.1质点系动量定律图8.1质点系的动量和质点的受力质点的质量与其瞬时速率的乘积mv称为质点的动量。对于质点系中任意一个质量为(9.1)其中为质点系中其它质点对质点遭到的内力合力,如图8.1。上述等式对质点系中所有质点均创立,假设质点系有N个质点,我们将N个上述等式相减,得(8.7)我们称矢量p为质点系的动量,它是质点系中所有质点动量的矢量和;为质点系遭到的所有外力的矢量和,即外力主矢。
动量的量纲为【质量】【长度】【时间】。这样多项式(8.4)可写为(8.8)等式(8.8)就是质点系动量定律的物理表达式,称为动量定律的微分方式;用语言叙述为:质点系动量的时间变化率等于质点系遭到的所有外力之和。多项式(8.8)可以写成积分方式。我们有(8.10)其中(8.11)我们将分别名为力的元冲量和冲量。多项式(8.9)就是动量定律的积分方式。由多项式(8.8)(8.9)可见,动量定律不须要考虑质点系的内力,只需晓得整体的动量或外力,正是这一点为好多不需晓得内力的问题中,提供了简便的剖析技巧。以上推论过程表明,动量定律创立的前提条件是质点系的质量不能变化,否则,假若被研究质点系中的质点或质量跑出该质点系,或则从其它质点系中提取质点或质量,同时依然将原来的质点系作为剖析对象,则内力将不平衡。为此,在应用动量定律时,质点系一旦取定,以后不管怎样变化,初始属于该质点系的所有质量仍然属于该质点系,也不接纳外来质量,请读者谨记这一点。对于与外界有质量交换的质点系,须要将交换质量仍然记入质点系中构成一个质量封闭系统,能够应用动量定律。将矢量多项式(8.8)(8.9)在任取的直角座标系Oxyz中投影,可得动量定律的代数等式:mvdtmvdtmvdtmvmvmvmvmvmv(8.12)若质点系的动量保持常值,称为动量守恒。
有两种可能的守恒:8.2.2刚体运动定律对于一运动质心可以觉得是无数个质点构成的质点系,其动量为,要能应用动量定律,须要解决p中所涉及的无限问题。这么,怎么解决这一问题呢?质点系的刚体和动量估算图8.2如图8.2的物体,可以觉得由无数个的质点构成,每位质点受月球的重力作用,这种力可以视为平行力系。当用一根绳子悬挂该物体时,绳子系在物体上哪一点该物体既不转动又不上下左右运动呢?构建如图8.2所示座标。当物体处于平衡时,由(8.13)令总质量(8.14)这样质点系的动量就可以用由(8.14)式所确定的一个特殊点的速率和系统总的质量来简单表示了。虽然可以觉得系统的质量集中于此中心点,将这一特殊点定义质点系的刚体C。(8.13)就是求刚体的公式,其在直角座标系的3个份量分别为Oi(8.15)平行力系的中心估算公式也是这么。刚体运动定律将表达式(8.14)代人动量定律(8.8),得(8.16)其中为刚体加速度。多项式(8.16)就是刚体运动定律,即质点系的总质量与刚体加速度的乘积等于质点系所受的外力合力。将多项式在直角座标系中投影,可得MaMx