天体运动遵守的是角动能守恒

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  一、引言
  整个牛顿力学体系的建立,是以牛顿第一定律为基础推演而来的。从牛顿第二定律开始,到动量定理、动能定理、角动量定理、角动量守恒定律的建立,就先天不足。只研究了物体在受力的情况下,该如何运动,能量该如何转化的问题,而没有研究,受力物体也是施力物体,施力物体对自身的运动有没有影响呢?物体施力不消耗能量吗?因此,牛顿力学是不具有普遍性。
  二、对牛顿力学的补充和修正
  1.补充耗散功W=CF2t和力的热效应Q=CF2t
  W=CF2t命名为耗散功,是力在保持物体的形变程度不变时,所必需消耗的能量。其大小与力的平方成正比,与用力时间成正比,C为常数,有待测量和验证,本文只介绍一种测量和验证方法。如果物体的形变程度改变时,或者说力的大小改变时,就是机械功和耗散功的微分问题。以能量守恒定律为依据,耗散功的实质就是力的一种热效应,即Q=CF2t, 它是力学系统中普遍存在的一种自然现象,吸热和放热都是相对的,P=CF2为力的发热功率。
  2.修正动能定理
  牛顿第一定律、动量守恒定律、动能守恒定律,我认为是没有问题的,牛顿第二定律、动量定理、角动量定理、角动量守恒定律是有问题的,就是没有研究反作用力耗能问题,我只能以能量转化和守恒定律为依据,对动能定理进行修正。
  修正后的动能定理:F1ds- CF22dt =dE。
  其中的物理意义是:物体动能的增加量dE,等于物体受到的合力所做的机械功F1ds,与物体的反作用力(合力)所做的耗散功CF22dt(形变部分发热)之差。
  F1F2是作用力与反作用力,都是合力,平衡力也耗能,但是,不会改变物体的动能。
  例如:一个物体受到10牛顿的力,在力的方向上移动10米,用时10秒,物体的动能将增加多少呢?施力物体消耗的总能量是多少呢?
  机械功:W=F1ds=100焦耳。
  耗散功大约为:W=CF22dt=1焦耳。(C值大约在10-3国际制单位,以实验测量为准)
  动能增加量:dE=99焦耳。
  施力物体消耗的总能量大约为101焦耳。作用力F1与反作用力F2的耗散功是相等的,总能量是守恒的。
  也就是说,施力物体消耗的总能量大约为101焦耳,只做了100焦耳机械功,受力物体,只获得了99焦耳的动能,大约有2焦耳的能量,被作用力F1与反作用力F2耗散了。
  比较就会发现耗散功虽然很小,如果力相对很大,做功时间又很长,就不能忽略耗能因素,例如:天体运动、粒子加速实验等。
  推理:当F1=0时,则F2=0,dE=0,物体的动能E保持不变。可称为动能守恒定律。
  3.补充角动能定理和角动能守恒定律
  转动问题,始终是物理学没有研究清楚的问题,原因是涉及到向心力、切向力、动量、动能、转动半径等诸多物理量,其中任何一个物理量的变化,其它都跟着变化,但是,能量转化和守恒定律不能不遵守。
  转动,就是物体运动方向与物体受到的合力方向,不在一条直线上的运动,即曲线运动。不管物体受到几个力,就用一个合力来研究,问题就简单得多,然后具体转动具体分析,要摆脱保守力的束缚。
  在修正后的动能定理的基础上,补充角动能定理:d(rF1scosθ)- Cd(rF22t)=d(rE)
  其中的物理意义是:物体角动能的增加量d(rE),等于作用力与反作用力所做的机械功矩d(rF1scosθ)和耗散功矩Cd(rF22t)之差。
  F1是一个力或者几个力的合力,方向与物体运动方向不在一条直线上,F2是F1的反作用力,θ是物体转动方向与物体受到合力方向之间夹角。
  补充角动能守恒定律:当d(rF1scosθ)= Cd(rF22t)时,d(rE)=0,即角动能rE保持不变。
  推论:一切转动的物体,当没有切向力做机械功时,即:d(rF1scos900)=0,角动能会逐渐减小,即:Cd(rF22t)=-d(rE)。(具体表现:行星卫星会坠毁、电子会坠入原子核、自转的物体会逐渐停止自转),这可以称为角动能不守恒定律。要想保持转动物体的角动能守恒,就必需有切向力做机械功,简称带动性。
  角动能守恒定律和角动能不守恒定律,不是矛盾的,两者的前提条件是不同的。
  角动能守恒定律和角动能不守恒定律是否可以通过实验来验证呢?在地球上,是不可以的,原因很简单,就是无法排除摩擦等阻力的影响。
  三、太阳系是检验场--发现了天体运动遵守的是角动能守恒
  在太阳系中,当行星运行到远日点和近日点时,向心力等于万有引力,由mv2/r=GMm/r2,可知:rmv2=GMm,1/2rmv2=1/2GMm,rE=1/2GMm=常数(相等),并且rv2=GM=常数,从两个常数中,能发现哪些规律呢?
  rE=1/2GMm=常数(相等),虽然是论证了行星在远日点和近日点角动能是相等的,其它位置角动能是否相等?只要进行简单的推理就可以了。在行星从远日点向近日点运动时,虽然动能是连续增加,但是,角动能是保持守恒的,如果中间的角动能有增加或者减小的现象,它的运动轨迹一定会出现拐点,不然远日点和近日点角动能就不可能相等,同理,行星从近日点向远日点运动时,角动能也是保持守恒的。所以对于稳定运转的太阳系,只要有公转周期的行星,它们的角动能都是守恒的,并且,遵守rE=1/2GMm关系。
  rv2=GM,命名为角动能守恒判别式,GM是太阳系高斯常数。同样的道理,在地月系中,在遵守同向性、共面性等条件的同时,依据rv2=GM来定位空间站,就具有“永久”性的特征,运动寿命能与月球寿命相媲美(100年?1000年?——都是有可能的!)。
  rv2=GM,对于物理学家、天文学家、宇航学家来说,并不陌生,角动能守恒,早就隐藏在这个公式之中,就是没有被人们更早发现而已。
  天体转动是否遵守机械能守恒呢?我无法论证,行星近日点和远日点的机械能(=?)是相等的,也就无法证明天体转动遵守的是机械能守恒。
  角动能守恒,就应该有对应的角动能定理和角动能守恒定律来解释。
  角动能守恒的发现,再一次证明牛顿力学思想的正确性,让我们借助牛顿的肩膀,站得更高,看得更远。
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