序言:
牛顿第一定理称为惯性定理,牛顿觉得物体由于有质量而具有惯性,假若物体不遭到力的作用,质量物体将永恒的保持匀速直线运动或则静止状态,力是改变物体运动状态的诱因。
而共核力矩守恒定理也是惯性定理,共核力矩守恒定理则指出物体具有共核力矩,不受任何外力作用下物体将以多种运动方式和不同路径保持惯性运动,其运动路径上任意轨迹点上的共核力矩仍然守恒,受力过程中共核力矩将不守恒共核系力矩,外力可以改变其惯性运动方式。
因此,对这两个定理进行全面比较和剖析,因而得出牛顿惯性定理仅仅是共核力矩守恒定理中的一种特殊情形。
1共核力矩守恒定理与牛顿第一定理的比较1.1共核力矩守恒定理的核心内容
质量物体以一个中心点或轴作相对运动时,物体质量、核心距离和运动速率平方的乘积,称作共核力矩。即:
(1.1.1)
这么共核力矩守恒定理的叙述是:
一切质量物体在不受外作用下,将永恒的相对一个核心点或轴运动,其运动路径上的任意轨迹点一直保持共核力矩守恒。
在宇宙中,共核惯性运动有三种最常见的方式,即天体公转、自转和自由落体运动,这三种运动方式都可以确定为不受任何外力作用下的惯性运动,都符合任意轨迹点的共核力矩守恒。
以共核太阳系为例:
所有行星的公转运动是相对日心作共核运动,其路径是椭圆,所有行星公转轨道上的任意轨迹点,其公转速率平方与核心距离的乘积恒等于共核太阳系的共核常量。即:
(1.1.2)
这表示,行星质量恒定的情况下,所有行星在公转轨道上的任意轨迹点的共核力矩一直保持守恒。
下边列表共核太阳系的运动参数证明:(1-1-1)
(1-1-1)
1.2引力与共核力矩守恒定理的关系
在共核力矩守恒定理下,公转、自转和自由落体运动都是不受任何外力作用下的共核惯性运动,
由于这三种运动中,质量物体在任意时刻的运动路径上,任意轨迹点一直保持共核力矩守恒,这是共核惯性运动的基本特点。
天体自转是相对于自转轴的共核运动:自转天体上任意位置点的质量物体如何证明牛顿第一定律?,其自转速率平方与地轴距离的乘积加上地面位置点的重力加速度与地心距离平方的乘积和,一直等于共核系常量,以地月共核系的地面为例,则有:
(1.2.1)
自由落体是相对共核系一个中心点趋近的共核惯性运动,其任意初始点的重力加速度与核心距离平方的乘积仍然等于共核系的共核常量,以地月共核系的地面为例,则有:
(1.2.2)
这三种共核运动是宇宙中普遍存在的共核惯性运动,是不受任何外力作用下保持共核力矩守恒的自然运动状态。
其实这与牛顿精典热学相冲突,由于精典热学觉得这三种运动都遭到了天体的引力作用,因而,这儿必须明晰引力的本质:
引力实际是惯性运动的过程中形成的衍生力,与精典热学概念里的引力大小相等,方向一致,因而被误觉得是外界质量物体所施加,而实际施力物体是作共核惯性运动的质量物体本身,共核惯性运动是不受任何外力作用的。
若把共核惯性运动形成的衍生力仍称为引力,这么引力估算定义是:
引力等于质量物体的共核力矩与核心(轴)距离的平方比。则有:
(公转状态)(1.2.3)公转状态(1.2.3)
(自由落体状态)(1.2.4)
(自转状态)(1.2.5)
公转、自转和自由落体(螺线)运动都是宇宙中质量物体保持共核力矩守恒的三种基本运动方式,并可以互相转化,在同一共核系中共核力矩仍然守恒,这与其运动方式、运动轨迹都无关。
因而有共核力矩守恒多项式:
(1.2.6)
上式约去质量m就得到共核常量恒等多项式(1.2.6):
(1.2.7)
共核力矩守恒多项式的量纲表(1-2-1)
共核力矩量纲表(1-2-1)
2牛顿第一定理是共核力矩守恒定理的特例2.1牛顿第一定理与共核力矩守恒定理的内容剖析
牛顿第一定理的叙述是:
一切物体在不受外力作用下,将永恒的保持匀速直线运动或静止状态不变,直至外力改变为止。
根据牛顿第一定理的叙述,物体不受外力作用下,将有下边几个特点:
第一:物体运动路径只能是一条直线。
第二,物体只有两种运动状态,匀速直线运动或静止。
第三,要改变运动状态必须施加外力,或则说物体不作匀速直线运动,则物体遭到了力的作用。
而在共核力矩守恒定理,物体若不受任何外力作用下将作共核惯性运动,有下边几个基本特点:
第一,物体运动路径是多元化的,可以是直线,也可以是圆,也有可能是各类方式的曲线,甚至是不规则线。
第二,运动状态多元化,如公转、自转、自由落体、螺线运动、抛物线、波动、单摆等处于多种惯性运动状态。
第三,物体运动速率可以是匀速,也可以是变速运动,但速率平方与核心距离的乘积是一个常量,其路径上任意时刻中的任意轨迹点的共核力矩守恒。
第四,外力是改变其惯性状态或惯性运动方式的缘由,在受力作用过程中,共核力矩将不再守恒共核系力矩,在外力消失后仍然保持共核系的力矩守恒。
比如,地面上发射人造月球卫星,就是外力作用把月球上作惯性自转的质量物体转变为作惯性公转,卫星发射前后的共核力矩是守恒不变的,只是共核惯性运动的方式变化。
鹈鹕推进人造卫星不是克服月球引力做功,而是改变人造月球卫星的惯性运动状态而作功。
鹈鹕在推进运行过程中,把人造月球卫星从随月球自转的惯性运动弄成向空中的加速运动,此时人造月球卫星的共核力矩是不等于地月系的共核力矩的,共核力矩守恒的惯性运动被改变。
人造月球卫星脱离鹈鹕后步入公转轨道,人造月球卫星将绕地公转,此时不再遭到外力作用,实现了共核力矩守恒下的公转惯性运动,人造月球卫星发射前后的共核力矩仍守恒,但其惯性运动形式被改变。
其实,共核力矩守恒的惯性运动的范畴远远小于牛顿第一定理的惯性运动,它们之间有冲突不相容的地方,这么怎样融合这两个惯性定理呢?
2.2理想不受外力作用下惯性运动实例剖析
在地面上,共核惯性运动都只能是设定的理想状态,下边作实例剖析:
实例1,一辆货车在理想状态下无任何阻力的轮滑上行驶,其后续的运动状态怎样?
这些理想状态的轮滑实际是不存在的,其后续的运动状态完全是思想实验理论。
牛顿第一定理告诉你,若轮滑是平直的与月球自转轴平行,且与地表圆呈切线,则将永恒的作匀速直线运动。
但这些轮滑不是牛顿理想实验中的货车,牛顿理想实验的货车是在无任何阻力的水平地面上行驶,而水平地面实际就是海弧面或球面,是等月球直径的球体面,实际结果应是货车绕月球表面做匀速圆周运动,这或许违反了牛顿第一定理的推论。
而共核力矩守恒定理将告诉你轮滑货车的三种情形:
第一种情形是:若轮滑平直足够长,且平行于自转轴与地表圆呈切线,将永恒的作匀速直线运动,这与牛顿第一定理一致。
第二种情形是:若轮滑足够长是以水平线制成的轮滑,这个轮滑实际将绕月球一圈,则将永恒的作匀速圆周运动。
第三种情形是:假如轮滑起伏弯曲不断,高低不同,这么将永恒的作变速曲线运动,且路径上任意时刻的共核力矩守恒,仍属于是共核惯性运动。
首先,明晰直线运动包括平行自转轴的直线运动和水平直线运动。
月球自转是绕自转轴运动,质量物体作平行自转轴运动则可以认定是直线运动,这么这些直线运动的任意轨迹点的自转轴距离恒等,因而平行自转轴的直线运动实质是等轴距的直线运动,这么共核力矩可以表示为:
(2.2.1)
根据牛顿第一运动定理,物体此时不受外力作匀速直线运动,而根据共核力矩守恒定理,物体在做等轴距的直线运动,由于共核力矩守恒,轴距恒等,这么速率必然不变,即匀速直线运动,此时两个定理是统一的,没有冲突。.
其次,在月球上,所谓水平面实际就是海弧面,水平直线实际就是环地表弧线,本质是等月球直径的地带环线,因而,水平直线运动的实质是等月球直径的圆周运动,仅仅是由于月球直径太大,视力错觉可以看成直线。
因而水平直线运动的实质是等直径的圆周运动,在不受外力作用下,水平直线的匀速运动,实际就是是等直径的匀速圆周运动,其共核力矩守恒式是:
(2.2.2)
根据共核力矩守恒定理,等月球直径即等核心距离,这么速率必然恒等,此时不受外力作用下将作匀速圆周运动。
然而,根据牛顿第一定理,物体不受外力作用下只能作匀速直线运动,而作匀速圆周运动一定是遭到了外力作用,因而在匀速圆周运动上必须构设了一个虚力,把它称作向心力,而向心力未能找到施力物体,因而虚构了超距的引力,觉得引力促使物体作圆周运动、公转运动提供向心力。
这也直接造成超距的引力未能找到其传递方法和作用粒子,让引力天文学深陷了窘境,更难以与其它力融合统一,这才是化学学的最大愤慨。
所以说,牛顿第一定理仅仅适用于等轴距的匀速直线运动情形,因而是共核力矩守恒定理特殊情形,它存在认识和总结上的误区。
实例2:若一个自由运动中的单摆不受任何阻力的状况下,其后续运动状态怎样?
根据牛顿第一定理,虽然不考虑空气阻力和单摆线阻力,单摆假如永远运动下去,这不是作匀速直线运动,一定是遭到了月球引力作用,借此找寻提供单摆运动的向心力,假如月球引力消失不能提供向心力,这么摆线若不断,运动将会停止,假如摆线断了,单摆将会作匀速直线运动。
事实上,根据共核力矩守恒定理,单摆将永恒的运动下去,单摆从来就没有遭到月球的引力作用,这是一个共核力矩守恒的共核惯性运动,且有共核力矩守恒多项式:
(2.2.3)
这表示单摆在任意时刻任意地面高度下其共核力矩守恒,这儿r是月球直径如何证明牛顿第一定律?,h是地面高度,v是单摆速率,g是位置点的重力加速度。
顺便解释傅科摆之谜,傅科摆能测定月球自转,一个最大的苦恼就是为何傅科摆不随支架与月球自转,能保证在一个平面内摆动?
简单回答就是:单摆是一个独立的共核系,同样是一个共核力矩守恒定理下共核惯性运动,是地月系内质量物体的一种共核惯性运动方式,就像自由落体运动一样具有方向性,陀螺也是一样原理。