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流体力学基础知识讲义(2)(牛顿运动定律)

2023-08-01 15:51 作者:北斗导航Compass  | 我要投稿

牛顿运动定律

        牛顿三大定律是经典力学的基石,经典的流体力学理论作为经典力学在流体中的延伸和应用,其基础也是牛顿三大定律。相信读者对牛顿三大定律已经非常熟悉了,本讲义带领大家复习一下,读者可以选择跳过。

        牛顿第一定律提出,力是改变物体运动状态的原因,因为在物体不受力时会一直保持匀速直线运动或者静止状态。

        牛顿第二定律是牛顿运动定律的核心,它构建了物体受力和加速度的关系,解释了在物体受力的情况下,运动状态是如何被改变的。具体来讲,对于一个质量为m的质点,在力%5Cboldsymbol%7BF%7D

的作用下,其加速度为%5Cboldsymbol%7Ba%7D,三者之间存在以下关系

%5Cboldsymbol%7BF%7D%3Dm%5Cboldsymbol%7Ba%7D

虽然高中物理课本广泛采用了此种定义方式,但是牛顿在《自然哲学的数学原理》中的原始表述并不是这样。牛顿说,对于一个动量为%5Cboldsymbol%7Bp%7D的质点,在力%5Cboldsymbol%7BF%7D的作用下,其动量的时间变化率与%5Cboldsymbol%7BF%7D成正比,即

%5Cboldsymbol%7BF%7D%3D%5Cfrac%7Bd%5Cboldsymbol%7Bp%7D%7D%7Bdt%7D%20

由于动量%5Cboldsymbol%7Bp%7D%3Dm%5Cboldsymbol%7Bv%7D

%5Cboldsymbol%7BF%7D%3D%5Cfrac%7Bd(m%5Cboldsymbol%7Bv%7D)%7D%7Bdt%7D%20

经典力学中,物体的质量是个常数,m可以提出来

%5Cboldsymbol%7BF%7D%3Dm%5Cfrac%7Bd%5Cboldsymbol%7Bv%7D%7D%7Bdt%7D%20

根据加速度的定义

%5Cboldsymbol%7BF%7D%3Dm%5Cboldsymbol%7Ba%7D

        这就是我们在中学常见的公式,这两种说法是一个意思。所以牛顿第二定律也可以看作是构建了物体受力和动量的关系,即,物体动量的时间变化率其实就等于它受的力。我们后续在推导流体的动量方程时,也会涉及到流体动量的变化率,本质上就是牛顿第二定律。

        牛顿第三定律阐释了存在力的作用的两个物体之间作用力与反作用力的关系,作用力与反作用力总是大小相等,方向相反,且作用在同一条直线上,对于流体,当然也适用。


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