我对科氏加速度(科里奥利加速度)的计算与推导
选用自转轴水平的情形,建立质点运动模型
为什么选这个模型?因为他最简单,去除了一切可以去掉而不影响本质因素
最简单的模型,就是核心
其他都属于周边的技术问题
质点以角速度ω绕中心轴旋转,并以角速度Ω绕Z轴旋转,半径R不变
选择质点位于顶点时为起始时刻
现在开始分析质点的加速度以及受到的作用力
经时间t ,质点运行到下图位置
质点的运动方程
x(t)=Rsin(ωt)cos(Ωt)
y(t)=Rsin(ωt)sin(Ωt)
z(t)=Rcos(ωt)
第一次求导,得到各轴速度分量
x'=vx(t)=Rωcos(ωt)cos(Ωt)-RΩsin(ωt)sin(Ωt)
y'=vy(t)=Rωcos(ωt)sin(Ωt)+RΩsin(ωt)cos(Ωt)
z'=vz(t)=-Rωsin(ωt)
这是质点在t时刻的速度在三个坐标轴上的分量,合成他们
v²=vx²+vy²+vz²
=R²ω²[cos(ωt)cos(Ωt)]²-2R²ωΩcos(ωt)cso(Ωt)sin(ωt)sin(Ωt)+R²Ω²[sin(ωt)sin(Ωt)]²
+R²ω²[cos(ωt)sin(Ωt)]²+2R²ωΩcos(ωt)cso(Ωt)sin(ωt)sin(Ωt)+R²Ω²[sin(ωt)cos(Ωt)]²
+R²ω²[sin(ωt)]²
整理得
v²=R²ω²[cos(ωt)]²+R²Ω²[sin(ωt)]²+R²ω²[sin(ωt)]²
=R²ω²+R²Ω²[sin(ωt)]²
=[Rω]²+[RΩsin(ωt)]²
可以看到,质点的速度v由两个分速度合成
Rω就是随圆盘自转的切向速度
RΩsin(ωt)是质点垂直自转盘面方向(绕Z轴旋转)的速度,也就是此图那个变化的红箭头
当然也就是直接从图上看出的v(t)=RΩsinωt
再次求导,得到加速度
ax=-R(Ω²+ω²)sin(ωt)cos(Ωt)-2RΩωcos(ωt)sin(Ωt)
ay=-R(Ω²+ω²)sin(ωt)sin(Ωt)+2RΩωcos(ωt)cos(Ωt)
az=-Rω²cos(ωt)
合成他们
a²=ax²+ay²+az²
质点加速度
a²=[-R(Ω²+ω²)sin(ωt)cos(Ωt)-2RΩωcos(ωt)sin(Ωt)]²+[-R(Ω²+ω²)sin(ωt)sin(Ωt)+2RΩωcos(ωt)cos(Ωt)]²+[-Rω²cos(ωt)]²
整理得
a²=[2RΩωcos(ωt)]²+[RΩ²sin(ωt)]²+[Rω²]²+2[RΩωsin(ωt)]²
可以看到
该加速度由3部分构成
第一部分(上图中的1)-------Rω²,轨道运动向心加速度,指向圆心
第二部分(上图中的2)-------RΩ²sin(ωt),公转(进动)运动向心加速度,指向Z轴
第三部分(上图中的3)-------2RΩωcos(ωt),方向与前两项垂直。这东西就是科里奥利加速度
【至此】可以得到质点垂直自转轨道方向的速度与加速度
v(t)=RΩsinωt
a(t)=2RΩωcos(ωt)
可以直观地发现,这是正弦和余弦的关系,类似简谐运动,我称之为【类简谐运动】(相信是首创)
这个加速度具有施力者,即外力矩M
经过简单推导,可得到规则进动角速度公式Ω=M/Jω
简而言之,就是余弦形式的作用力,迫使质点速度以正弦形式变化,从而形成进动
第三部分简单一叉就出来了ak=2Ω×v,何必大费周章如此麻烦求解质点运动方程?
弄了一尺多长的方程干啥?耍酷?
(厉风的求导过程,方程的长度恐怕还不止一尺。原帖已消失,就不建议去看了。说方程的长度纯属搞笑,意思是真的不短)
被流放获得冥王星慨叹【求导好痛苦!】,拉普拉斯、厉风等动用了mathematica,guojiabd、版上中微子等也都参与其中
简单叉一下,举手之劳,为什么要费这劲?
原因在于我【要避开叉乘】,如果不避开,那么没理由不接受力矩M=r×mg,方向就水平了。根据角动量定理,陀螺就要水平进动
陀螺进动现象如此简单就已经解释完毕,也就没什么可说了
然而,问题就出在这个【叉乘】,这样做的理由或者依据,是什么?
理查德费曼教授说【这是数学的解释,而非物理】
沃尔特雷文教授说【不可思议的反直观性,不只是你们想不通】
他们在说什么?