用动量定理求解“流体”连续相互作用问题的技巧_动量定理论文

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“流体”是由大量质点组成的质量连续分布且以一定速度运动的物体系。流体的连续作用问题是力学中的一类常见问题,此类问题的难点是如何合理选取研究对象。下面举例谈谈运用动量定理时,用整体法、微元法、等效法求解流体连续作用的三种方法。

一、“流体”沿水平方向发生作用时——整体法

当“流体”以一定的速度运动而与其他物体连续发生相互作用时,我们可在流体运动方向选取一段长为v△t的“柱状体”为研究对象,则在△t时间内的流体连续的作用总体上可看成此段“柱状体”这一单个物体的作用。

解析 在某段时间△t内,飞船向前方扫过的体积△V=Sv△t,把这个体积的尘埃看作一个物体,其质量为△m=ρ△V=ρSv△t①

飞船与这部分尘埃碰撞时,尘埃会获得与飞船相同的速度,设飞船对这部分尘埃的作用力为f,以尘埃为研究对象,由动量定理有

f·△t=△mv-0②

将①②式联解得

二、“流体”沿竖直方向发生作用时——微元法

当“流体”不断的“流进”或“流出”时,流进或流出的部分质量在不断地变化,但在某一时刻的一段极短时间△t内,可以认为已经流进或流出的部分质量是不变的。可以选取在△t这一极短时间内流进或流出的部分为研究对象,求出它对已经流进或流出的部分的作用力,这样就将较长时间内的变化质量问题转化为了短时间内的不变质量问题。

例2 如图1所示,长为L,总质量为m的柔软绳索放在水平台面上,用手将绳索的一端以恒定速率。向上提起,求当提起高度为x时手的提力。

解析 在t=10s时,盆中已注入水的质量为m =7kg。在t=10s之后的一个极短时间△t内,将又有质量为△m=k△t(k=0.7kg/s)的水注入盆中,可以认为△t时间内,落入盆中的水由初速变为静止。设△m对盆中水的“冲击力”为F,则盆中水对△m的反作用力为F'=F,取竖直向上为正方向,选取△m为研究对象,运用动量定理有

三、“准流体”间断性发生作用时——等效法

当某物体受到其他物体间断的“冲击”作用时,这种冲击作用可能时大时小,时断时续,时多时少,可选取一段较长的时间进行分析,在这段时间内,用一个持续恒定的作用力来代替这种间断的作用。

代入数据解得N=216(颗)。

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