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动力学

相对运动

相对速度 vB=vA+vB/A,刚体两点 ω×r,相对加速度 α×r−ω²r,旋转系 vrel,科里奥利 2ω×vrel

运动看起来是什么样,取决于用谁的眼睛去看。在行驶的火车里走路的人,车内的人看他走得很慢,车外的人看他却快得多。站在一个点上看另一个点,那个点的速度就分解为 vB = vA + vB/A,即参考点的速度加上从参考点看到的相对速度。如果两点在同一刚体上,相对速度只由一个转动决定;如果参考系本身也在转动,就要在 ω×r 之外再加上滑动项和科里奥利项。本讲一步步建立变换参考系来求速度和加速度的方法。

两个物体 A、B 各自运动时,站在 A 上看 B,B 的速度为 vB/A = vB − vA,即两个速度之差。图中从同一点画出蓝色箭头 vA 和橙色箭头 vB,连接两箭头末端的金色箭头就是相对速度。用滑块改变 vB 的方向,金色箭头的长度和方向随之改变,下方读数给出它的大小。两辆车同向并排行驶时相对速度小,彼此看起来像静止一样;相向行驶时相对速度大,正如图中所示。

如果两点在同一刚体上,B 的相对速度只是垂直于杆的纯转动 ω×rB/A。杆的长度不变,两点之间的距离不能增大或减小,剩下的相对运动只有绕 A 转动。所以 vB = vA + ω×r,即在点 A 的速度上加上转动分量所得的对角线,就是点 B 的速度。用滑块增大角速度 ω,杆端向上的转动分量变长,与用虚线平移过来的 vA 相加得到的橙色箭头 vB 向上倾斜。

加速度也可以用同样的方法转换,但要分成两部分。把杆在点 A 用销钉固定后转动,杆端同时受到切向加速度 α×r(垂直于杆)和向心加速度 ω²r(沿杆指向内侧)。用滑块增大角速度,蓝色的向心箭头按角速度的平方迅速变大;角加速度不变,所以橙色的切向箭头长度不变。比较下方读数中的两个数,可以验证角速度加倍时只有向心分量变为四倍。

参考系本身转动时,还会多出一项。在以恒定角速度转动的杆上,珠子向外滑动时,珠子的绝对速度等于杆的转动 ω×r 加上沿杆滑动的 vrel。这个 vrel,也就是在转动的杆上测得的滑动速度,正是转动参考系中新出现的部分。用滑块把珠子沿杆向外移,转动分量与半径成正比地变长,滑动分量不变,所以合成的橙色箭头逐渐向垂直于杆的方向倾倒。

在转动参考系中滑动,不仅速度、连加速度也要多加一项,那就是科里奥利加速度(2ω×vrel)。从转动圆盘中心径直向外送出的物体,在圆盘上看,会偏离虚线所示的直线路径,像金色曲线那样向侧面弯曲。科里奥利加速度垂直于滑动方向,所以把物体推向侧面的橙色箭头总是与曲线的前进方向垂直。用滑块增大角速度,弯曲的程度和下方读数中的科里奥利加速度一起增大。地球上的风和洋流在北半球向右偏、在南半球向左偏,也是同样的效应。

实际应用总结一下,相对运动总是从 vB = vA + vB/A 这一行出发。两点在同一刚体上时,vB/A = ω×rB/A,加速度分解为 aB = aA + α×r − ω²r(切向+向心)。参考系只平动时,相对速度和相对加速度直接相加即可;参考系还在转动时,要再加上滑动项 vrel 和科里奥利项 2ω×vrel。解题方法在任何情况下都一样:取一个已知的点(通常是销钉或接触点)作为基点 O,用转动的 ω 和 α 推到另一点。至此,刚体怎样运动,位置、速度、加速度都已全部解决。从下一讲开始转向它为什么这样运动,即力和力矩通过 ΣM = Iα 产生转动;衡量质量绕轴如何分布的转动惯量 I,在转动中扮演质量的角色。
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