转动系问题浅析

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  解决物理问题时,常常需要用到变换参考系以简化问题。但是,在选择转动参考系时常常容易出错。 本文则从转动系的坐标变换出发,推导出各个量在转动参考系中的变换式,厘清整个思路,并指出其中容易出现问题的地方。
  1 转动系中的坐标变换以及导数变换
  首先,简单起见,考虑二维转动系,角速度垂直于该平面,并假设两个参考系原点重合,且在t=0时刻两坐标轴重合。某一时刻两坐标系的位形如下图。
  根据几何关系可以导出,同一矢量在两个系中的坐标满足如下坐标变换:
  由此,我们得到了矢量导数的坐标变换式。是转动效果的体现。习惯上取t=0(亦即在观测时矢量在两个系中有相同的分量),则。(2)式就变为很多教材上讲述的“绝对导数和相对导数的关系”。
  2 转动系中的线速度,线加速度的变换
  在上一节我们已经得到矢量导数在两个坐标系之间的变换。这个矢量若是位矢,则导数变换式就是线速度变换式。
  以上推导出了转动系之间速度,加速度的变换式。
  应该强调的一点是:ω是原系相对于新系的角速度,而不是新系相对原系的角速度。这一点可以从第一节导数变换的推导中看出来。同时,v是相对于原系的速度,而不是相对新系的速度。这两点是在使用上面的公式时最容易出现的错误。
  运动学中物体之间的加速运动具有对称性,但是在动力学中,由于惯性的存在,物体间的加速运动不再对称。不论是从S系换到S’系还是从S’系换到S系,一项总是向心的,若反向换系,牵连加速度却不完全反向,会不会导致不自洽?答案是否定的。我们来考察两次连续换系:从S系换到S’系,再从S系换回到S’系。
  全部带入可得,这也是必然的。科里奥利加速度那一项中v与v‘的差异修正了一项一直向心带来的问题。最终没有出现不自洽。
  现在把我们的问题做推广:1从二维到三维 2从原点不动到原点运动
  我们已经把加速度变换式写成了矢量式,可以证明,三维情况下该矢量式仍然成立。其基本思想和以上所述是一样的,只是要用到更难的矩阵知识,此处便不再赘述。对于原点运动的转动系,我们可以换两次系:第一次是跟随原点运动的平动参考系,第二次是绕运动原点的转动系。相应的变换公式可以写成:
  3 转动系中的角速度,角加速度的变换
  几乎所有教材对于转动系的讨论到以上的(3)(4)(5)(6)式,便没有继续了,并未给出角速度,角加速度的变换。下面我们给出转动系中的角速度,角加速度的变换式。
  角位移与线位移不同,它不是矢量,只有无限小角位移是矢量。因此,在推导角速度變换式的时候不可以套用(2)式。
  以上便是角速度,角加速度变换式。弨弹弩式中的最后一项在二维情况下等于0(原因是Ω//ω)很多人并没有通过严格的推导得出角速度、角加速度的变换式,默认有和。这在二维情况下时正确的,但是在三维运动下,并不为0。这也是一个非常容易出错的地方,要引起重视。这里的ω时相对于原系的角速度,这和之前加速度变换式十分类似。
  顺便一提,旋转系的原点的加速运动不会影响角速度,角加速度的变换式。
  4 总结
  我们首先采用一个新思路:从矩阵表述的坐标变换出发,导出了旋转系中矢量导数的变换,进而推出了线速度,线加速度的变换以及角速度,角加速度的变换;并以运动学的对称性为基础,验证了转动系变换理论的自洽性。
  以上的讨论仅限于理论推导,应用于实际问题时把变换式当作结论即可,要想清楚每一个物理量的意义,切勿混为一谈。
  参考文献:
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