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例8 线性引力.
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假若质点间的万有引力是线性的,即质量m1,m2的质点间万有引力大小为
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其中G*为假想的引力常量,r为两质点的间距.不考虑质点间相互碰撞的可能性,试在质心系中导出多质点引力系统各质点的运动轨道和周期.
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解 质心系为惯性系,以质心为坐标原点,第i质点的质量记为mi,位矢记为ri,加速度记为,可建立下述动力学方程组:
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将质点系总质量记为m,有
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代入后,得
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即有
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实现了变量分离.
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上述结果表明,第i质点所受合引力可等效为受系统质心的引力.对第i质点,将t=0时刻的位矢ri(0)和速度vi(0)唯一确定的平面记为σi,在σi平面中以质心为坐标原点建立xiyi坐标系.动力学方程可分解成
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各自与水平弹簧振子动力学方程一致,故质点在xi,yi两个方向上的分运动都是角频率为
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的简谐振动.合成的轨道是一个以质心为中心的椭圆,运动周期为
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