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【原创文章】曲线弧的转动惯量
1樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 20:48

设曲线弧L的两端分别为A、B,L上有一动点P(x, y),且弧AP的长度为s。以P为端点取一段弧长为△s的弧,弧的另一端为 Q,那么弧AQ的长度就为s+△s,Q的坐标为(x+△x,y+△y),也就是说Q的坐标相对于P的增量为(△x,  △y)。这里s为自变量,由于其本身就是线性增长的,因此没有高阶无穷小部分,它的微分等于其增量的精确值(微分等于改变量的精确值减去高阶无穷小部分),因此,ds=△s。如果△s→(趋于)0的话,那么点Q就会无限地靠近P。

2樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 20:49
x, y都是自变量s的函数,即x=x(s), y=y(s)。因此,x, y都是因变量,属于非线性增长,其增量的高阶无穷小部分不一定为0,此时dx≈△x,dy≈△y。只有x, y都是自变量的情况下,Q的坐标才为(x+dx, y+dy),但是这样的话ds就不等于△s了,因为此时s成了x, y的二元函数。
若L的线密度为ρ (x, y) = xy的话,那么弧段PQ的质量的微分就为dm=xyds。dm是该弧段的精确质量△m去掉了高阶无穷小后的线性部分,它是△m的近似值(注意:m是整个弧段的质量)。要求出△m的准确值,就必须对dm进行积分:

5樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 21:01
如果让P点和A点重合,Q点和B点重合,也就是s=0,ds=L的弧长时,△m=m,这样我们就可以求出整个曲线弧的质量:

在物理书上可查到转动惯量的计算公式为:

其中r为弧段端点到转轴的距离,dm为弧段的质量。
若转轴为y轴,那么P点到转轴的距离r就等于x,因此,整个曲线弧的转动惯量为

6樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 21:02
其中的被积表达式表示弧段PQ的转动惯量的近似值:

因为我们只取了P到y轴的距离r,没有考虑Q(当然还包括其他点)到y轴的距离相对于r的增量。也就是说,我们把弧段PQ想象成了与y轴平行的直线段了,这样得到的结果必然是近似值。不过,我们却可以通过积分运算得到精确值。
7樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 21:04
如果这段弧是x轴上的一段直线,那么直接用定积分计算就可以了,不需要用到曲线积分。
8樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 21:12
这个例子说明了,ds根本就不是弧长增量△s→ 0的记号,而是表示△s去掉了高阶无穷小后的线性部分。
9樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 21:23
xyds等于dm而不等于m的原因也是一样,因为我们只考虑了P点的线密度,没有考虑其他点的线密度增量,直接拿P点的线密度与弧长的准确值△s相乘了,所以得到的是近似值,而非精确值。要得到精确值仍需要积分。

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