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求解運動學微分方程:原函數(shù)法

 cosmos2062 2022-07-21 發(fā)布于廣東
將運動學微分方程改寫成微分形式,對時間求不定積分,利用初始條件確定積分常數(shù),就可以得到位置或速度與時間的依賴關系。

在《獲取物體的運動學量》中,我們首先從物理的層面出發(fā)對粒子的運動進行分析,得到了獲取位置和速度的數(shù)學公式。其實,這個問題也可以先從數(shù)學的層面出發(fā)得到解決。
讓我們重新考察速度和加速度的定義式:
如果你已經有了一定的數(shù)學基礎,應該馬上就意識到如何從數(shù)學的層面上解決我們的問題。不過,我還是假定你對數(shù)學的了解并不多,所以,接下來要對這個問題做仔細的回應。
在上面的速度或加速度的定義式中,有一個我們想要知道的未知物理量,并且這個物理量是以對時間的導數(shù)的形式出現(xiàn)的。另一方面,與這個時間導數(shù)同時存在于一個等式中,還有一個已知的物理量,比如說速度或者加速度對時間的依賴關系。我們知道,在一個等式中,如果既含有已知量又含有未知量,這個等式就被稱為“方程”,或者更準確地說,是一個“代數(shù)方程”。我們在中學中熟悉的“一元一次方程”或者“一元二次方程”等就是代數(shù)方程?,F(xiàn)在,在關于速度與加速度的定義式中,甚至還含有未知變量對自變量的導數(shù),這種等式被稱為“微分方程”。通過對這兩個微分方程進行求解,就可以得到我們想要知道的未知的物理量的表達式。我們不打算詳細地討論微分方程的求解理論,這些理論你很快就會在數(shù)學課程中學到。在這里僅對上面提出的問題給出一個詳細的解決方案。
假定已經知道了速度對時間的依賴關系,先把速度的定義式改寫成如下形式:
對上面這個經過改寫的等式的兩邊同時做一次不定積分,將兩邊做不定積分時得到的任意常數(shù)合并,就可以得到下面的等式:
等式最右邊的那個式子被稱為速度的原函數(shù),一個函數(shù)的原函數(shù)可以帶有一個任意的積分常數(shù)。顯然,由于積分常數(shù)是任意的,由上述等式給出的位置對時間的依賴關系并不完全確定。為了能夠明確地得到位置與時間的函數(shù)關系,需要把這個任意的積分常數(shù)確定下來。通常的做法是,在一個特定的時刻(稱之為初始時刻)測量粒子所處的位置(稱之為初始位置),把這兩個數(shù)值代入上面的等式中:
由此就得到了積分常數(shù)的表達式,并最終確定了位置與時間的函數(shù)關系:
結果發(fā)現(xiàn),只要求出了速度的原函數(shù),再測得粒子的初始位置,粒子在任意時刻的位置就確定了。
在許多情況下,我們可能會通過某種途徑獲得加速度對時間的依賴關系。在這種情況下,可以利用加速度與速度之間的關系,先把速度對時間的依賴關系求出來。為了達到這個目的,把加速度是速度對時間求一階導數(shù)這個定義式改寫成:
再仿照上面的求解過程對這個經過改寫的等式的兩邊做不定積分,就可以得到
等式最右邊的式子是加速度的原函數(shù)。如果在初始時刻測得粒子的初始速度為,粒子的速度對時間的依賴關系就確定下來了:
我們再一次看到了類似的情況:只要求出了加速度的原函數(shù),再測得粒子的初始速度,粒子在任意時刻的速度就確定了。有了速度對時間的依賴關系,就可以繼續(xù)求解位置隨時間的變化規(guī)律了。
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