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一种绕定轴旋转的参照系上的惯性力推导方法

记非惯性系 \(S'\) 绕惯性系 \(S\) 定轴旋转,速度为 \(\boldsymbol{w}(t)\),加速度为 \(\boldsymbol{\beta}(t)\)。对于一 \(S\) 中坐标为 \(\boldsymbol{r}(t)\)、速度为 \(\boldsymbol{v}(t)\)、加速度为 \(\boldsymbol{a}(t)\) 的质点,我们可以分析其在 \(S'\) 系上受到的惯性力。

不失一般性的假设定轴为 \(z\) 轴,记 \(\operatorname{Rot}(\boldsymbol{v},\alpha)\) 表示向量 \(\boldsymbol{v}\)\(z\) 轴顺时针旋转 \(\alpha\) 角得到的结果,我们有

\[\begin{aligned} \boldsymbol{v'}(t)&=\dfrac{\operatorname{Rot}(\boldsymbol{r'}(t+{\rm d}t),-\boldsymbol{w}(t){\rm d}t)-\boldsymbol{r'}(t)}{{\rm d}t}\\ &=\dfrac{\operatorname{Rot}(\boldsymbol{r}(t+{\rm d}t),-\boldsymbol{w}(t){\rm d}t)-\boldsymbol{r}(t+{\rm d}t)+\boldsymbol{r}(t+{\rm d}t)-\boldsymbol{r}(t)}{{\rm d}t}\\ &=\boldsymbol{v}+\boldsymbol{r}\times\boldsymbol{w} \end{aligned} \]

\[\begin{aligned} \boldsymbol{a'}(t)&=\dfrac{\operatorname{Rot}(\boldsymbol{v'}(t+{\rm d}t),-\boldsymbol{w}(t){\rm d}t)-\boldsymbol{v'}(t)}{{\rm d}t}\\ &=\dfrac{\operatorname{Rot}(\boldsymbol{v'}(t+{\rm d}t),-\boldsymbol{w}(t){\rm d}t)-\boldsymbol{v'}(t+{\rm d}t)+\boldsymbol{v'}(t+{\rm d}t)-\boldsymbol{v'}(t)}{{\rm d}t}\\ &=(\boldsymbol{v}+\boldsymbol{r}\times\boldsymbol{w})\times\boldsymbol{w}+(\boldsymbol{v}+\boldsymbol{r}\times\boldsymbol{w})'\\ &=\boldsymbol{a}+\boldsymbol{r}\times\boldsymbol{w}\times\boldsymbol{w}+2\boldsymbol{v}\times\boldsymbol{w}+\boldsymbol{r}\times\boldsymbol{\beta} \end{aligned} \]

综上所述,我们得到了 \(S'\) 下质点所受的惯性力,称 \(m\boldsymbol{r}\times\boldsymbol{w}\times\boldsymbol{w}\) 为惯性离心力,\(2m\boldsymbol{v}\times\boldsymbol{w}\) 为科里奥利力,\(m\boldsymbol{r}\times\boldsymbol{\beta}\) 为切向惯性力。

http://www.vanclimg.com/news/167.html

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