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例5 设想宇宙空间中有一巨大的球状气团,形成的初期因与其他天体相互作用,获得沿某直径轴方向的角动量.而后若无其他天体作用,此团气体有可能演化成如银河系那样的圆盘状旋转结构,试定性说明之.
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解 球状气团内含质量巨大,在万有引力作用下有向中心聚集的趋势.聚集过程中绕转轴角动量守恒,使旋转角速度增大.取随系统一起旋转的非惯性系,离心力随之增大,离轴越远,离心力越大.在赤道面附近离轴远处,当离心力可与万有引力抗衡时,便不再朝中央聚集.赤道面两侧,离心力方向与赤道面平行,万有引力有指向赤道面的分力,物质向赤道面聚集,近轴处聚集的物质层最厚.如此的演化过程,有可能使气团形成类似银河系那样的圆盘状旋转结构.
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例6 水平大圆盘绕着过中心竖直轴以恒定的角速度ω旋转,盘面上有一质量为m的小球从中心O出发,沿着阿基米德螺线r=αθ的轨道运动.已知过程中小球相对O点的角动量L是个守恒量,试求小球所受真实力的角向分量Fθ和径向分量Fr.
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解 由
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得
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圆盘系中m受力为
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力的角向分量为
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力的径向分量为
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小球相对O点角动量守恒,要求角向力为零,即有
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径向力应合成mar,即有
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将等代入后得
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4.1.3 外力矩 重心 对称球的外引力分布中心
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外力矩是质点系角动量变化的原因,了解某些常见的外力矩特性,有助于讨论相关的角动量力学问题.
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