慣性力算力嗎(理解旋轉運動)
摘要:慣性力是力,所以壞人也是人!說壞人不是人,不是物理表述;說慣性力不是力,也不是物理表述。我們總是站在慣性系中看問題,但這不足以看清楚所有問題,或者不足以簡明的看清楚問題。有的問題,我們需要在非慣性系中看,才能看的簡單明了。(比如日心說在描述星辰運動上比地心說簡單明了,以地球為慣性系,太陽,相對地球就是非慣性系。)
1 牛頓第二運動定律:物體加速度的大小跟作用力成正比,跟物體的質量成反比。
2 達朗貝爾原理,也稱為動靜法,將慣性力和外力考慮為相平衡,成功將動力學和靜力學統一。
3 牛頓第三運動定律:相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等,方向相反,作用在同一條直線上。(該定律是由牛頓在1687年于《自然哲學的數學原理》一書中提出的。牛頓第三運動定律和第一、第二定律共同組成了牛頓運動定律,闡述了經典力學中基本的運動規律。)
根據牛頓第三定律:慣性力顯然不滿足條件,不能算力。但是達朗貝爾將慣性力和外力(符合牛頓第三定律)相互抵消,相提并論,那么慣性力只能又算力。所以我說慣性力是力,是不符合牛頓第三定律的力。是力,就會產生力的效果。
為什么要說慣性力這件事,第一,我們有達朗貝爾原理,還有一個重要原因:更好的理解旋轉運動。
點的合成運動知識儲備:
絕對運動:相對于慣性系的運動;
相對運動:相對于非慣性系的運動;
牽連運動:非慣性系相對于慣性系的運動;

上式每一項都乘以質量,那就是力的平衡關系:外力+牽連(運動)慣性力+相對運動慣性力+科式慣性力=0;
將這種思維方式,看問題的角度用于理解旋轉運動,如魚得水。
一:定軸旋轉(公轉)
假設物理模型:質點繞定軸轉動,轉速為w,距離為r,原點和質點之間有繩牽引。從慣性系看,質點在繞軸轉;從非慣性系看(和質點同轉速),質點是靜止的。牛頓力學中,物體靜止,則是受力平衡。想將這個原理應用到非慣性性,怎么辦?繩子上有拉力,要平衡它,只能再找一個力,稱為離心力,大小為mrw^2,離心力取決于質點質量,轉動半徑(慣性系),質點轉速(慣性系中的轉速)。離心力方向為徑向(慣性系觀察)。
如何理解這個問題?
第一步:觀察者為慣性系,非慣性系定軸自轉,和質點公轉同速;
第二步:觀察者轉移到非慣性系,根據點合成運動和達朗貝爾原理;

二:公轉+自轉(轉子動力學)
梁的橫向振動方程:

轉子動力學振動方程:

如何理解這個運動方程?
第一步:觀察者為慣性系,非慣性系定軸自轉,和梁公轉同速;
第二步:觀察者轉移到非慣性系,根據點合成運動和達朗貝爾原理;
旋轉軟化效應的原因是牽連運動慣性力;陀螺效應的原因是科式力;
在梁的橫向振動方程基礎上,考慮牽連運動的影響,考慮相對運動引入的科式力,很自然就理解了轉子動力學方程各項的來源和效應。
附錄:
結構運動學方程的推導通常有以下幾種方法:
牛頓力學
達朗貝爾原理
拉格朗日力學
哈密頓力學
以上四種方法都屬于經典力學的范疇,其中達朗貝爾原理引入慣性力,將牛頓力學作了一次升華,拉格朗日和哈密頓引入廣義坐標,牛頓力學得到了進一步的升華。
對于結構振動方程(無自轉或自轉),本文都從達朗貝爾原理(引入慣性力)的角度來闡述和理解的。如果能熟練的從達朗貝爾原理視角看運動問題,這將是對牛頓視角(常規視角)的飛躍,是個人思維方式的一大進步。如果能從拉格朗日,哈密頓視角看運動,讀者可以試一試(當前的運動仿真軟件通常采用這個視角)。另外,拉格朗日和哈密頓視角是從動能和勢能來看運動(能量的角度),而牛頓和達朗貝爾視角是從力和力矩來看運動(力的角度)。
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