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1700979282 综上所述,与重心是质点系的重力分布中心类比,球心是对称球的外引力分布中心.
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1700979285 第5章将引入质心的概念,物体外力相对质心的力矩和为零时,物体相对质心的角动量不发生变化,或者说保持原有的自转状态.对称球的质心也位于球心,地球可认为是近似对称球.太阳和月球对地球的引力相对地球球心力矩为零,因此可以粗略地说,地球的自转状态不会因太阳和月球的引力而发生变化.但是严格而言,地球并非理想的对称球,海水潮汐运动对于这种对称性的破坏更具表观性.太阳虽然大,可是太远,月球虽然小,可是较近,月球引力对海水潮汐的影响更大.在地心参考系中地球自西向东转,在图4-16中表现为逆时针方向旋转,角速度ωE.月球绕地球同方向运行,角速度ωM≪ωE.某时刻海水潮汐形成的海水表面位形本应如图中虚线所示,但因地球自转中内摩擦力的带动,使得海水潮汐实际形成的海水表面位形如图中实线所示.地球不再对称,受月球的引力相对地球球心的力矩便不为零.为作定性解释,参考图4-16中的两个外引力F1,F2,方向均指向月球,大小关系必是F1>F2.很容易理解,F1,F2相对地球球心不为零的力矩之和使地球自转角动量减小,ωE变慢.计算表明,地球上的日长将因此每世纪增长约0.0016s.据此可推算出距今3.5亿年前(泥盆纪),地球自转较现在为快,一年约有400天,这与考古发现相符.月球受F1,F2对应的反作用力,获得沿轨道运动方向的力,此力相对地球球心的力矩使月球角动量增大,保持地—月系统相对地球球心角动量守恒,同时也使月球缓慢远离地球.
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1700979290 图 4-16
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1700979292 例7 质量相同的两个小珠子可在光滑轻长细杆上自由滑动,杆置于光滑水平面上.开始时杆静止,两珠相距2a,相对细杆也静止.设在t=0时刻,两珠分别获得与杆长方向垂直且互为反向的水平速度,大小同为v,如图4-17所示.而后杆将旋转,试求t>0时刻两珠间距d、杆旋转角速度ω和角加速度β.
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1700979297 图 4-17
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1700979299 解 系统对称,轻杆中与两珠距离相等的点O处,相对水平面静止不动,轻杆绕O点转动.细杆光滑,两珠不会受到沿杆方向的力.杆的质量处理为零,相对O点的角动量恒为零,故不能受到两珠施加的一对横向力偶作用.于是,两珠也不会受到杆的横向作用力.
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1700979301 两珠各自受力为零,在水平面上必作匀速直线运动.因对称,仅讨论图4-17中右侧小珠运动即可.参阅图4-18,t时刻小球与O点距离为
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1700979309 图 4-18
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1700979311 两珠相距
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1700979316 t时刻杆绕O点旋转角速度ω与小珠沿着与杆垂直方向的分速度有下述关系:
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1700979321 其中θ为t时刻杆转过的角度.将有关量代入后,可得
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1700979326 对t求导,即有
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1700979331 例8 质量M的均匀麦管放在光滑水平桌面上,麦管与桌面的一边垂直,且有一半突出在桌外.开始时有一质量为m的小虫子停在麦管在桌内的末端,如图4-19所示.而后小虫沿麦管爬到另一端时,随即另一小虫无初速地也落在该端,麦管并未倾倒,试求第二个小虫质量m′.
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