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动量定理

一、动量与冲量#

1、动量#

定义质点系的动量为所有质点动量的矢量和:

p=mivi\vec{p}=\sum m_i\vec{v}_i

质点系的动量也可以向坐标轴进行投影:

px=mvxpy=mvypz=mvz\vec{p}_x=\sum m\vec{v}_x\quad \vec{p}_y=\sum m\vec{v}_y\quad \vec{p}_z=\sum m\vec{v}_z

质点系质心CC的矢径表达式为:

rC=mirimi=miriMMrc=mirir_C=\frac{\sum m_ir_i}{\sum m_i}=\frac{\sum m_ir_i}M\Rightarrow Mr_c=\sum m_ir_i

当质点系运动时,它的质心一般也是运动的,将上式两端对时间求导数,即:

MvC=mivi=pM\vec{v}_C=\sum m_i\vec{v}_i=\vec{p}

上述公式对于任意质点系都成立,但是尤其针对刚体动量的计算。同样地,对于刚体系,刚体系的动力计算式为:

p=mivCi\vec{p}=\sum m_i \vec{v}_{Ci}

2、冲量#

冲量的积分形式:

I=0tFdt\vec{I}=\int_0^t\vec{F}\mathrm{d}t

同样地,可也以向坐标轴上投影:

Ix=0tFxdtIy=0tFydtIz=0tFzdt\vec{I}_x=\int_0^t\vec{F}_x\mathrm{d}t\quad\vec{I}_y=\int_0^t\vec{F}_y\mathrm{d}t\quad \vec{I}_z=\int_0^t\vec{F}_z\mathrm{d}t

二、动量定理#

1、定量定理#

因为质点系的动量为p=mivi\vec{p}=\sum m_i\vec{v}_i,对该式两端求时间的导数,有:

dpdt=dΣmividt=Σmiai=Fi\frac{\mathrm{d}\vec{p}}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}\Sigma m_i\vec{v}_i}{\mathrm{d}t}=\Sigma m_i\vec{a}_i=\sum \vec{F}_i

分析右端,把作用于每个质点的力F\vec{F}分为内力F(i)\vec{F}^{(i)}和外力F(e)\vec{F}^{(e)},则得:

ΣFi=ΣFi(i)+ΣFi(e)\Sigma \vec{F}_i=\Sigma \vec{F}_i^{(i)}+\Sigma \vec{F}_i^{(e)}

因为内力总是成对出现的,且根据牛顿第三定律,每对 内力求矢量和时会相互抵消,因此可得ΣFi(i)=0\Sigma \vec{F}_i^{(i)}=0,则有:

dpdt=Fi(e)\frac{\mathrm{d}\vec{p}}{\mathrm{d}t}=\sum \vec{F}_i^{(e)}

同样地,可也以向坐标轴上投影。

2、冲量定理#

设在t1t_1t2t_2过程中,质点系的动量由p1\vec{p}_1变为p2\vec{p}_2,则对上式积分,得:

p1p2=t1t2Fi(e)dt=Ii(e)\vec{p_1}-\vec{p_2}=\sum\int_{t_1}^{t_2}\vec{F}_i^{(e)}\mathrm{d}t=\sum \vec{I}_i^{(e)}

同样地,可也以向坐标轴上投影。

3、动量守恒定理#

如果Fi(e)=0\sum\vec{F}_i^{(e)}=0,则:

p=p0=const.\vec{p}=\vec{p}_0=const.

同样地,可也以向坐标轴上投影。

三、质心运动定理#

1、刚体质心运动定理#

质点系动量定理的表达式为:

dpdt=Fi(e)\frac{\mathrm{d}\vec{p}}{\mathrm{d}t}=\sum \vec{F}_i^{(e)}

把质点系动量表达式p=MvC\vec{p}=M\vec{v}_C代入上式,得到:

MaC=Fi(e)M\vec{a}_C=\sum \vec{F}_i^{(e)}

质点系的总质量与其质心加速度的乘积,等于作用在该质点系上所有外力的矢量和(主矢),这就是质心运动定理。

2、刚体系统质心运动定理表达式#

假设nn个质点的质点系由NN个部分构成(NnN\le n),则由式:

p=i=1nmivi=j=1NMjVCj\vec{p}=\sum_{i=1}^n m_i\vec{v}_i=\sum_{j=1}^N M_j\vec{V}_{Cj}

代入质心运动定理,得:

j=1NMjaCj=Fi(e)\sum_{j=1}^N M_j\vec{a}_{Cj}=\sum \vec{F}_i^{(e)}

同样地,可也以向坐标轴上投影。

3、质心运动守恒定理#

如果Fi(e)=0\sum\vec{F}_i^{(e)}=0,则由上式可知aC=0\vec{a}_C=0,从而有:

vc=const.\vec{v}_c=const.

即,如作用于质点系的所有外力的矢量和(主矢)始终等于零,则质心运动守恒,即质心作惯性运动;如果在初瞬时质心处于静止,则它将停留在原处。

同样地,可也以向坐标轴上投影。

如初瞬时质心的速度在该轴上的投影也等于零,则质心沿该轴的位置坐标不变。

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动量定理
https://www.laoguantx.cn/posts/momentumtheorem/
作者
老官童鞋gogo
发布于
2025-11-12
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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