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重读《费曼物理学讲义》第九章 牛顿的动力学定律

时间:2020-07-17

在理论力学中,专门有一节讲一个质点在有心力场的作用下

提示:本文共有 1056 个字,阅读大概需要 3 分钟。

这一章中,给我印象最深刻的是费曼用数值解法解出动力学方程,画出了行星运动的轨迹。

在理论力学中,专门有一节讲一个质点在有心力场的作用下。印象中,那一节的推导非常抽象,只觉得像变魔术一样进行一些令人不知所措的数学变换,bang,轨道方程就变出来了。结论是行星会做双曲线,椭圆,圆的轨道运动,具体是哪种运动轨迹取决于系统的初始条件。

但在这一节讲义中,通过用计算机模拟的技术,这些轨迹只需要很简单的动力学方程,就可以让计算机帮我们画出来,干得漂亮!

9-4 什么是力

这一节推导出了物理学中非常重要的谐振子方程(令k/m=1)

谐振子的运动轨迹是三角函数(sin 或者cos),它的周期是

从这个公式可以知道,如果在太空中,想要测出一个物体的质量。用一个已知弹性模量的弹簧就可以,你可以先测出其振动的周期,然后据上面的公式可以求出来。

9-7 行星的运动

如果忽略其他行星的影响,只考虑太阳对它的引力作用,那么行星的受力很简单,如下图所示:

那么作用在行星x轴和y轴上的力是如下:

注意,因为求的是x轴和y轴上的分力,所以是 r的三次方。

然后,在这个例子中,费曼取的初始条件是行星从x轴上的0.500处出发,速度竖直向上是1.630,取GM=1。

然后,费曼就可以用力学公式和计算机(甚至计算器)一步一步的计算行星的轨迹了,他给出了一张计算的表。然后,把表上的数据画成了一副图。

可以看到,是个椭圆。

也许有同学会问了,为什么不是个圆?答案在于行星系统的初始条件,如果开始运动的时候,正好行星的动能等于势能绝对值的一半,即初始速度等于1.414(根号2,因为r=0.5,令GM=1),那么轨道才可能是圆。如果动能并非那么完美的比例,比这个值大一点,那么就是椭圆(如本例子),或者更大一些,是双曲线。

看吧,牛顿力学定律甚至否定了“天使”所营造的行星运动的完美。

下次上大学物理课,特别给数学系的同学讲这章时,一定会讲这种数值解法。如果你感兴趣,不妨用Mathematic软件,或者自己编程,或者用计算器自己算一下。再改变一下初始条件试一下,你对太阳系内行星运动轨迹的理解肯定会加深。

讲义的最后是想用数值解法解出一般三体运动的轨迹,但只是在理论上给出了公式,没有实际出解这个方程。实际上,这个方程是解不出来的。法国大数学家庞加莱花了数年时间企图解决三体问题,以失败而告终。因为他发现,因为这些数值解,极度依赖于初始条件,以至于很小的变化就造成很大的改变。但计算机的存储能力和计算能力都是有限的,所以长期的轨迹预测必定失败。这其实就是混沌系统的特点。

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