Nhập môn Cơ học cổ điển: Từ Newton đến Hamilton

Khám phá cơ học cổ điển: Nền tảng vật lý, định luật Newton, chuyển động, lực, năng lượng. Tìm hiểu nguyên lý cơ bản và ứng dụng thực tế.

Trường đại học

College Of William And Mary

Chuyên ngành

Physics

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Textbook

2020

336
0
0

Phí lưu trữ

75 Point

Mục lục chi tiết

Preface

1. Chapter 1: Introduction

1.1. Physics

1.2. Calculus

1.3. Units

2. Chapter 2: Vectors

2.1. Vector

2.2. Scalar Product

2.3. Vector Product

2.4. Length and Direction

2.5. Gradient

4. Inertial Coordinate Systems

4.3. Two-Body Problem

5. Energy

6.3. Two-Body Problem

6.2. Two-Body System

6.2. Uniform Circular Motion

7. System of Particles

8.4. Rigid-Body Motion

9.2. Particle on Table Connected to Hanging Mass

9.3. Bead on a Rotating Hoop

10.1. Calculus of Variations

11.1. Another Bead on a Rotating Hoop

11.2. Cylinder Rolling on Incline Plane

12.1. Oscillations of Particles Connected by Springs

12.3. Wave Equation for String

13.1. One-Dimensional Wave Equation

13.1. Snapshot at Fixed t

13.2. Disturbance at a Fixed x

14. Continuum Mechanics of String

15.1. Canonical Momentum Density

15.6. Energy-Momentum Tensor

16. Mechanics of Fluids

16. Problems

Appendix A: Numerical Methods

Appendix B: Significant Names in Classical Mechanics

Bibliography

Index

Tóm tắt

I. Cơ học cổ điển là gì Hướng dẫn nhập môn toàn diện nhất

Cơ học cổ điển là một nhánh nền tảng của vật lý, nghiên cứu chuyển động của các vật thể vĩ mô. Các vật thể này có thể là projectile, các bộ phận máy móc, hoặc các thiên thể như hành tinh và ngôi sao. Lý thuyết này mô tả chính xác chuyển động của vật thể khi chúng không quá nhỏ và di chuyển với vận tốc không quá gần vận tốc ánh sáng. Nền tảng của cơ học cổ điển được xây dựng dựa trên các nguyên lý do Sir Isaac Newton đặt ra vào thế kỷ 17, đặc biệt là các định luật chuyển động và định luật vạn vật hấp dẫn. Như J.D. Walecka đã nhấn mạnh trong 'Introduction to Classical Mechanics', mục tiêu của vật lý là 'mô tả các hiện tượng vật lý bằng các thuật ngữ toán học' để liên kết các hiện tượng và dự đoán các hiện tượng mới. Để hiểu được lĩnh vực này, việc nắm vững các khái niệm toán học cơ bản như phép tính vi tích phân và đại số vector là điều kiện tiên quyết. Các khái niệm cốt lõi bao gồm không gian, thời gian, khối lượng và quán tính, lực, công và năng lượng. Bài viết này sẽ cung cấp một lộ trình nhập môn căn bản, bắt đầu từ những khái niệm sơ khởi nhất, đi sâu vào các định luật Newton, và khám phá các định luật bảo toàn quan trọng, tạo một nền móng vững chắc cho bất kỳ ai muốn tìm hiểu về vật lý đại cương.

1.1. Nền tảng toán học Vector và phép tính vi tích phân

Toán học là ngôn ngữ của vật lý. Cơ học cổ điển sử dụng hai công cụ toán học chính: phép tính vector và vi tích phân. Vector được dùng để mô tả các đại lượng có cả độ lớn và hướng như vị trí, vận tốc và gia tốc, hay lực. Một vector có thể được biểu diễn qua các thành phần trong hệ tọa độ Descartes và các phép toán như cộng vector, nhân vô hướng, tích vô hướng và tích có hướng là các thao tác cơ bản. Phép tính vi tích phân, được phát minh bởi chính Newton, là công cụ không thể thiếu để mô tả sự thay đổi tức thời. Đạo hàm cho phép xác định vận tốc từ vị trí và gia tốc từ vận tốc. Ngược lại, tích phân cho phép tính toán quãng đường đi được từ vận tốc hoặc sự thay đổi vận tốc từ gia tốc. Ví dụ, tài liệu của Walecka minh họa rằng gia tốc rơi tự do là một hằng số g, và bằng cách tích phân, chúng ta có thể suy ra vận tốc (v = gt) và quãng đường rơi (z = 1/2 gt²). Sự kết hợp giữa vector và vi tích phân tạo ra một bộ khung mạnh mẽ để thiết lập và giải quyết các phương trình chuyển động.

1.2. Hệ quy chiếu quán tính Khung nhìn của Định luật Newton

Một trong những khái niệm nền tảng nhưng thường bị bỏ qua là hệ quy chiếu quán tính. Các định luật Newton chỉ đúng khi được áp dụng trong một hệ quy chiếu như vậy. Một hệ quy chiếu quán tính được định nghĩa là một hệ quy chiếu đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều so với 'các ngôi sao cố định'. Điều này có nghĩa là trong hệ quy chiếu này, một vật thể không chịu tác dụng của ngoại lực sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Như được giải thích trong chương 3 của 'Introduction to Classical Mechanics', bất kỳ hệ quy chiếu nào chuyển động với vận tốc không đổi so với một hệ quy chiếu quán tính cũng là một hệ quy chiếu quán tính. Điều này là do gia tốc của một vật thể là như nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính. Trái đất, trong nhiều bài toán, có thể được coi là một hệ quy chiếu quán tính gần đúng. Việc xác định đúng hệ quy chiếu là bước đầu tiên và quan trọng nhất trước khi áp dụng các định luật vật lý để phân tích chuyển động.

II. Ba định luật Newton Nền tảng cốt lõi của cơ học cổ điển

Trái tim của cơ học cổ điển là ba định luật chuyển động do Newton xây dựng. Chúng cung cấp một khuôn khổ toàn diện để hiểu mối quan hệ giữa một vật thể và các lực tác động lên nó. Các định luật này là tiên đề, được đúc kết từ quan sát và thực nghiệm, và đã được chứng minh là cực kỳ chính xác trong việc mô tả thế giới vĩ mô. Định luật thứ nhất, hay định luật quán tính, khẳng định rằng một vật sẽ duy trì trạng thái nghỉ hoặc chuyển động thẳng đều nếu không có lực tác động. Định luật thứ hai, được coi là phương trình cơ bản của động lực học chất điểm, định lượng mối quan hệ giữa lực, khối lượng và gia tốc qua công thức nổi tiếng F = ma. Định luật này cho phép dự đoán quỹ đạo chuyển động của một vật nếu biết các lực tác động lên nó. Định luật thứ ba, định luật về lực và phản lực, tuyên bố rằng đối với mỗi tác động luôn có một phản lực bằng về độ lớn và ngược chiều. Định luật này rất quan trọng trong việc phân tích các hệ gồm nhiều vật tương tác, là cơ sở cho định luật bảo toàn động lượng.

2.1. Định luật I và II Mối liên hệ giữa lực khối lượng gia tốc

Định luật thứ nhất và thứ hai của Newton có mối liên hệ mật thiết. Định luật I là một trường hợp đặc biệt của Định luật II khi tổng lực tác dụng bằng không. Định luật II, theo phương trình (4.1) của Walecka, được phát biểu chính xác là: 'Tốc độ thay đổi động lượng của một vật bằng lực tác dụng lên nó' (dp/dt = F). Vì động lượng p = mv, nếu khối lượng m không đổi, phương trình trở thành F = m(dv/dt) = ma. Phương trình này cho thấy gia tốc và vận tốc của một vật thể thay đổi như thế nào dưới tác dụng của một lực. Ở đây, khối lượng và quán tính (m) đóng vai trò là đại lượng đặc trưng cho mức độ chống lại sự thay đổi trạng thái chuyển động. Một khái niệm quan trọng được Newton đề cập là 'nguyên lý tương đương', khẳng định rằng khối lượng quán tính (trong Định luật II) bằng với khối lượng hấp dẫn (trong định luật vạn vật hấp dẫn). Điều này giải thích tại sao mọi vật thể, không kể khối lượng, đều rơi với cùng một gia tốc trong chân không.

2.2. Định luật III Nguyên lý tương tác và lực hấp dẫn

Định luật thứ ba của Newton khẳng định rằng các lực luôn xuất hiện theo từng cặp. Nếu vật A tác dụng một lực lên vật B, thì vật B cũng tác dụng một lực có cùng độ lớn, cùng phương nhưng ngược chiều lên vật A. Cặp lực này được gọi là lực và phản lực. Một ví dụ kinh điển là lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Trái Đất hút Mặt Trăng, đồng thời Mặt Trăng cũng hút Trái Đất bằng một lực tương đương. Định luật này là nền tảng cho việc phân tích các hệ nhiều hạt. Khi cộng các phương trình chuyển động cho tất cả các hạt trong một hệ kín, các nội lực (lực tương tác giữa các hạt) sẽ triệt tiêu lẫn nhau theo từng cặp, chỉ còn lại các ngoại lực. Kết quả trực tiếp của điều này là định luật bảo toàn động lượng, một trong những nguyên lý bảo toàn mạnh mẽ nhất trong vật lý. Định luật III đảm bảo rằng khối tâm của một hệ cô lập sẽ chuyển động thẳng đều.

III. Phương pháp giải các bài toán động lực học chất điểm cơ bản

Việc áp dụng các định luật Newton để giải quyết các vấn đề thực tế là kỹ năng cốt lõi trong nhập môn cơ học cổ điển. Quá trình này thường bao gồm các bước: xác định hệ vật, vẽ biểu đồ lực tự do, chọn một hệ quy chiếu quán tính thích hợp, và áp dụng Định luật II của Newton cho từng phương. Các bài toán kinh điển như chuyển động của một vật trên mặt phẳng nghiêng, chuyển động của projectile (vật ném xiên), hay dao động điều hòa của con lắc lò xo đều là những ví dụ điển hình. Đối với các hệ phức tạp hơn, như hệ hai vật tương tác qua lực hấp dẫn, việc sử dụng các khái niệm như khối tâm và khối lượng rút gọn giúp đơn giản hóa bài toán đáng kể. Như trong chương 5 của 'Introduction to Classical Mechanics', bài toán hai vật có thể được quy về bài toán một vật có khối lượng rút gọn μ chuyển động trong một trường lực trung tâm. Việc nắm vững các phương pháp này không chỉ giúp giải quyết các bài tập mà còn xây dựng một trực giác vật lý sâu sắc về cách thế giới vận hành theo các quy luật của động lực học chất điểm.

3.1. Phân tích chuyển động học của vật ném xiên

Bài toán vật ném xiên là một ứng dụng tiêu biểu của chuyển động học trong trường trọng lực đều. Một vật được ném đi với vận tốc ban đầu v₀ theo một góc nghiêng φ. Lực duy nhất tác dụng lên vật (bỏ qua sức cản không khí) là trọng lực, hướng thẳng đứng xuống dưới. Bằng cách phân tích chuyển động theo hai phương độc lập, phương ngang (x) và phương thẳng đứng (z), ta áp dụng Định luật II. Theo phương x, không có lực tác dụng nên gia tốc bằng không, vật chuyển động thẳng đều. Theo phương z, vật chịu gia tốc trọng trường -g. Tích phân các phương trình gia tốc này, ta thu được phương trình vận tốc và vị trí theo thời gian. Từ đó, có thể xác định các đại lượng quan trọng như độ cao cực đại, tầm bay xa, và thời gian bay. Phân tích này cho thấy quỹ đạo của vật là một đường parabol, một kết quả phù hợp hoàn hảo với quan sát thực nghiệm.

3.2. Hệ hai vật và khái niệm khối lượng rút gọn

Khi phân tích chuyển động của hai vật tương tác với nhau, ví dụ như hệ Trái Đất - Mặt Trời, việc áp dụng trực tiếp định luật Newton cho từng vật có thể phức tạp. Một phương pháp hiệu quả là chuyển sang hệ tọa độ khối tâm và tọa độ tương đối. Khối tâm của hệ sẽ chuyển động như một hạt tự do nếu không có ngoại lực. Chuyển động tương đối giữa hai vật có thể được mô tả như chuyển động của một hạt duy nhất có 'khối lượng rút gọn' μ = (m₁m₂)/(m₁ + m₂), chịu tác dụng của lực tương tác giữa chúng. Như Walecka đã chỉ ra trong phương trình (5.16), phương pháp này đã quy một bài toán phức tạp của tĩnh học vật rắn (trong trường hợp tổng quát) về một bài toán động lực học chất điểm đơn giản hơn nhiều. Khái niệm này cực kỳ hữu ích trong cơ học thiên thể và vật lý nguyên tử.

IV. Các định luật bảo toàn Bí quyết đơn giản hóa cơ học cổ điển

Ngoài việc giải trực tiếp các phương trình vi phân từ định luật Newton, cơ học cổ điển còn cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ khác dựa trên các đại lượng bảo toàn. Ba định luật bảo toàn quan trọng nhất là bảo toàn năng lượng, bảo toàn động lượng và bảo toàn mô men động lượng. Các định luật này bắt nguồn từ các tính đối xứng cơ bản của không gian và thời gian. Định luật bảo toàn năng lượng cho biết tổng năng lượng của một hệ cô lập (bao gồm động năng và thế năng) là không đổi. Định luật bảo toàn động lượng khẳng định rằng tổng động lượng của một hệ không chịu tác dụng của ngoại lực là một hằng số. Tương tự, định luật bảo toàn động lượng góc (mô men động lượng) áp dụng cho các hệ chịu tác dụng của lực xuyên tâm. Việc sử dụng các định luật này thường đơn giản hơn nhiều so với việc giải phương trình chuyển động, đặc biệt trong các bài toán va chạm hoặc các hệ phức tạp. Chúng cung cấp những 'đường tắt' thanh lịch để tìm ra trạng thái cuối cùng của hệ mà không cần quan tâm đến chi tiết quá trình diễn ra.

4.1. Định luật bảo toàn năng lượng Công và thế năng

Năng lượng là một hằng số của chuyển động trong các hệ bảo toàn. Một hệ được gọi là bảo toàn nếu lực tác dụng lên nó có thể được biểu diễn dưới dạng gradient của một hàm thế năng (F = -∇V). Trong trường hợp này, tổng của động năng (T = 1/2 mv²) và thế năng (V) là một đại lượng không đổi, gọi là tổng năng lượng E. Công và năng lượng có mối liên hệ mật thiết: công do lực bảo toàn thực hiện bằng độ giảm của thế năng. Ví dụ, trong trường lực hấp dẫn, thế năng là V(r) = -GMm/r. Trong một con lắc lò xo, thế năng đàn hồi là V(x) = 1/2 kx². Định luật bảo toàn năng lượng (E = T + V = hằng số) cung cấp một phương trình bậc nhất liên hệ giữa vị trí và vận tốc, đơn giản hơn nhiều so với phương trình vi phân bậc hai của Newton.

4.2. Bảo toàn động lượng và mô men động lượng

Động lượng, p = mv, là một đại lượng vector mô tả 'lượng chuyển động' của một vật. Định luật II Newton có thể được viết lại dưới dạng F = dp/dt. Nếu tổng ngoại lực tác dụng lên một hệ bằng không (hệ cô lập), thì tổng động lượng của hệ được bảo toàn. Định luật bảo toàn động lượng đặc biệt hữu ích trong việc phân tích các vụ va chạm, nơi các nội lực rất lớn và phức tạp, nhưng tổng động lượng trước và sau va chạm không đổi. Tương tự, mô men động lượng, L = r × p, là một đại lượng bảo toàn khi tổng mô men lực ngoại lực bằng không. Điều này xảy ra trong các hệ có lực xuyên tâm, như chuyển động của các hành tinh quanh Mặt Trời. Định luật Kepler thứ hai (một hành tinh quét những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau) chính là một hệ quả trực tiếp của định luật bảo toàn động lượng.

V. Cơ học giải tích Hướng tiếp cận từ cơ học Lagrange Hamilton

Vượt ra ngoài khuôn khổ của Newton, cơ học cổ điển đã phát triển các phương pháp luận tổng quát và trừu tượng hơn, được gọi là cơ học giải tích. Hai hình thức luận chính là cơ học Lagrangecơ học Hamilton. Thay vì tập trung vào lực (một đại lượng vector), các phương pháp này làm việc với các đại lượng vô hướng như năng lượng. Cơ học Lagrange dựa trên một nguyên lý duy nhất gọi là Nguyên lý tác dụng tối thiểu (hay Nguyên lý Hamilton). Từ đó, người ta có thể suy ra các phương trình chuyển động (phương trình Euler-Lagrange) cho bất kỳ hệ tọa độ nào. Cách tiếp cận này đặc biệt mạnh mẽ khi xử lý các hệ có ràng buộc. Cơ học Hamilton, một sự phát triển từ cơ học Lagrange, mô tả trạng thái của hệ trong một không gian trừu tượng gọi là 'không gian pha'. Các phương pháp này không chỉ là một cách trình bày lại thanh lịch của cơ học Newton mà còn là cầu nối thiết yếu dẫn đến các lý thuyết vật lý hiện đại như cơ học lượng tử và lý thuyết trường lượng tử, cho thấy sự sâu sắc và tính phổ quát của các nguyên lý trong vật lý đại cương.

5.1. Nguyên lý Hamilton và phương trình Lagrange

Nguyên lý Hamilton phát biểu rằng trong tất cả các quỹ đạo khả dĩ mà một hệ vật lý có thể đi theo từ điểm A đến điểm B trong một khoảng thời gian cho trước, hệ sẽ chọn quỹ đạo mà làm cho 'tác dụng' (một tích phân theo thời gian của hàm Lagrangian L = T - V) là cực tiểu. Từ nguyên lý biến phân này, ta suy ra được phương trình Euler-Lagrange. Cơ học Lagrange sử dụng các tọa độ suy rộng, giúp đơn giản hóa việc xử lý các ràng buộc. Ví dụ, chuyển động của một hạt trên mặt cầu chỉ cần hai tọa độ suy rộng (vĩ độ và kinh độ) thay vì ba tọa độ Descartes cùng với một phương trình ràng buộc. Sự sang trọng và sức mạnh của phương pháp này làm cho nó trở thành một công cụ không thể thiếu trong vật lý lý thuyết hiện đại.

5.2. Chuyển sang hệ liên tục và các lý thuyết hiện đại

Các nguyên lý của cơ học Lagrangecơ học Hamilton có thể được mở rộng từ hệ các chất điểm rời rạc sang các hệ liên tục như một sợi dây dao động hoặc một chất lỏng. Như Walecka đã thảo luận trong phần cuối của cuốn sách, việc chuyển đổi này đòi hỏi phải giới thiệu các khái niệm về mật độ Lagrangian và áp dụng Nguyên lý Hamilton cho các trường. Phân tích chuyển động quay của vật rắn và dao động của môi trường liên tục là những ví dụ điển hình. Quá trình hình thức hóa này cung cấp một điểm khởi đầu tự nhiên để chuyển từ cơ học cổ điển sang lý thuyết trường cổ điển (như điện từ học) và cuối cùng là lý thuyết trường lượng tử. Điều này cho thấy rằng những ý tưởng được gieo mầm bởi Newton vẫn tiếp tục phát triển và tạo thành nền tảng cho sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ ở mọi quy mô.

28/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

indd 1 31/1/20 9:56 AM b2530   International Strategic Relations and China’s National Security: World at the Crossroads This page intentionally left blank b2530_FM.indd 6 01-Sep-16 11:03:06 AM Introduction to Classical Mechanics :RUOG6FLHQWLÀF 11750_9789811217432_TP.indd 2 31/1/20 9:56 AM Published by :RUOG6FLHQWL¿F3XEOLVKLQJ&R3WH/WG 7RK7XFN/LQN6LQJDSRUH 86$R৽FH:DUUHQ6WUHHW6XLWH+DFNHQVDFN1- 8.R৽FH6KHOWRQ6WUHHW&RYHQW*DUGHQ/RQGRQ:&++( /LEUDU\RI&RQJUHVV&RQWURO1XPEHU British Library Cataloguing-in-Publication Data $FDWDORJXHUHFRUGIRUWKLVERRNLVDYDLODEOHIURPWKH%ULWLVK/LEUDU\ INTRODUCTION TO CLASSICAL MECHANICS &RS\ULJKW‹E\:RUOG6FLHQWL¿F3XEOLVKLQJ&R3WH/WG $OOULJKWVUHVHUYHG7KLVERRNRUSDUWVWKHUHRIPD\QRWEHUHSURGXFHGLQDQ\IRUPRUE\DQ\PHDQV HOHFWURQLFRUPHFKDQLFDOLQFOXGLQJSKRWRFRS\LQJUHFRUGLQJRUDQ\LQIRUPDWLRQVWRUDJHDQGUHWULHYDO system now known or to be invented, without written permission from the publisher. )RUSKRWRFRS\LQJRIPDWHULDOLQWKLVYROXPHSOHDVHSD\DFRS\LQJIHHWKURXJKWKH&RS\ULJKW&OHDUDQFH &HQWHU,QF5RVHZRRG'ULYH'DQYHUV0$86$,QWKLVFDVHSHUPLVVLRQWRSKRWRFRS\ LVQRWUHTXLUHGIURPWKHSXEOLVKHU ,6%1  ,6%1  SEN  )RUDQ\DYDLODEOHVXSSOHPHQWDU\PDWHULDOSOHDVHYLVLW KWWSVZZZZRUOGVFLHQWL¿FFRPZRUOGVFLERRNVW VXSSO 3ULQWHGLQ6LQJDSRUH Lakshmi - 11750 - Introduction to Classical Mechanics.indd 1 03-02-20 2:16:49 PM January 28, 2020 16:37 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics Mechintroroot page v For Kay v b2530   International Strategic Relations and China’s National Security: World at the Crossroads This page intentionally left blank b2530_FM.indd 6 01-Sep-16 11:03:06 AM January 28, 2020 16:37 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics Mechintroroot page vii Preface The author recently published a book entitled Introduction to Electricity and Magnetism [Walecka (2018)]. It is based on an introductory course taught several years ago at Stanford, with over 400 students enrolled. The only requirements were an elementary knowledge of calculus and famil- iarity with vectors and Newton’s laws; the development was otherwise self-contained.

The lectures, although relatively concise, take one from Coulomb’s law to Maxwell’s equations and special relativity in a lucid and logical fashion. The book has an extensive set of accessible problems that enhances and extends the coverage. As an aid to teaching and learning, the solutions to those problems were subsequently published in a separate text [Walecka (2019)]. Although never presented in an actual course, it occurred to the author that it would be fun to compose an equivalent set of lectures, aimed at the very best students, that would serve as a prequel to that Electricity and Magnetism text.

These lectures would assume a good, concurrent, course in calculus and familiarity with basic concepts in physics (say, from a good high-school course); they would otherwise, again, be self-contained. For my own amusement, I did just that. The lectures start with a review of the necessary mathematics and a review of vectors. The idea of an inertial frame is then introduced, and Newton’s laws are stated, with several applications included.

The concepts of energy and angular momentum are introduced, and the analysis is then extended to many-particle systems. The notions of generalized coordinates and Lagrange’s equations are first introduced on the basis that they reproduce Newton’s laws in the chosen examples. After a lecture introducing the calculus of variations, La- grange’s equations are derived from what then serves as the basic principle vii January 28, 2020 16:37 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics Mechintroroot page viii viii Introduction to Classical Mechanics of classical mechanics —Hamilton’s principle of stationary action. Several more examples are given of lagrangian mechanics.

Hamilton’s equations are similarly first introduced on the basis that they reproduce Lagrange’s equations and Newton’s laws for the chosen examples, and they are then subsequently similarly derived from Hamilton’s principle of stationary action. Several examples are included of hamiltonian mechanics and phase space. A lecture then discusses the transition from the mechanics of discrete particle systems to that of continuous media. Lagrange’s equations for con- tinuous systems are exhibited and then derived from Hamilton’s principle.

The wave motion of a string under tension serves as the paradigm for con- tinuum mechanics, and the analysis extends up through the construction of the energy-momentum tensor and the reflection and radiation of those waves. Irrotational, isentropic fluid flow, where the velocity field is derived from a potential and there is no internal (reversible) heat flow, serves as the final example of lagrangian continuum mechanics. The lagrangian density is constructed. Bernoulli’s equation and the continuity equation for the mass (number) density are then derived from Lagrange’s equations, and they are related back to Newton’s laws for fluid mechanics.

The energy density and energy flux are constructed, and the analysis is then applied to sound waves, where reflection and radiation are again examined. The goal of this text is to provide a clear and concise set of lectures that take one from the introduction and application of Newton’s laws up to Hamilton’s principle and the lagrangian mechanics of continuous systems. This, indeed, provides the point of departure from classical mechanics to modern quantum field theory.1 An extensive set of accessible problems again enhances and extends the coverage. Now readers may feel that this is an overly ambitious goal for a set of introductory lectures on classical mechanics, and it is hard to argue with that.

I did not feel the goals were too ambitious in the case of the Electricity and Magnetism text. It may be that the current lectures are only relevant to a more advanced honors course. Nevertheless, after completing this text and reading it over several times, I am convinced that the whole thing fits together well, and the book serves as a useful text for good students. I do also believe that the current book provides a good introduction to the more advanced mechanics texts, such as [Fetter and Walecka (2003)].

In 1 See, for example, [Walecka (2010)]. January 28, 2020 16:37 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics Mechintroroot page ix Preface ix addition, I feel the book serves as a good introduction and companion to other standard mechanics texts such as [Kleppner and Kolenkow (2013); Morin (2008); Thornton and Marion (2012); Kibble and Berkshire (2004); Taylor (2004); Landau and Lifshitz (1976); Goldstein et al. I am therefore submitting the present manuscript for publication. It is my hope that students and teachers alike will share some of the pleasure I took in writing this book.

I would like to once again thank my editor, Ms. Lakshmi Narayanan, for her help and support on this project. Williamsburg, Virginia John Dirk Walecka November 4, 2019 Governor’s Distinguished CEBAF Professor of Physics, emeritus College of William and Mary b2530   International Strategic Relations and China’s National Security: World at the Crossroads This page intentionally left blank b2530_FM.indd 6 01-Sep-16 11:03:06 AM January 28, 2020 16:37 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics Mechintroroot page xi Contents Preface vii 1.4 Length and Direction. Inertial Coordinate Systems 13 4.3 Two-Body Problem.

Energy 21 xi January 28, 2020 16:37 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics Mechintroroot page xii xii Introduction to Classical Mechanics 6.3 Two-Body Problem .2 Two-Body System .2 Uniform Circular Motion. System of Particles 33 8.4 Rigid-Body Motion .2 Particle on Table Connected to Hanging Mass .3 Bead on a Rotating Hoop .1 Calculus of Variations .1 Another Bead on a Rotating Hoop .2 Cylinder Rolling on Incline Plane. 73 January 28, 2020 16:37 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics Mechintroroot page xiii Contents xiii 12.1 Oscillations of Particles Connected by Springs .3 Wave Equation for String .1 One-Dimensional Wave Equation .1 Snapshot at Fixed t .2 Disturbance at a Fixed x. Continuum Mechanics of String 91 15.1 Canonical Momentum Density .6 Energy-Momentum Tensor.

Mechanics of Fluids 105 16. 111 January 28, 2020 16:37 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics Mechintroroot page xiv xiv Introduction to Classical Mechanics 16. Problems 119 Appendix A Numerical Methods 157 Appendix B Significant Names in Classical Mechanics 159 Bibliography 161 Index 163 January 28, 2020 16:37 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics Mechintroroot page 1 Chapter 1 Introduction The author recently published a book entitled Introduction to Electricity and Magnetism based on a one-quarter, calculus-based course he taught at Stanford some years ago [Walecka (2018)].1 The purpose of the present book, written just for fun, is to design a one-quarter series of lectures on Introduction to Classical Mechanics that could serve as a prequel to the E&M text.2 It is assumed that the reader has taken a good high-school physics course and is familiar with the basics concepts of units, measurements, vectors, etc. It is also assumed that he or she has taken, or is taking, a good course on calculus.1 Physics We again start with some comments on physics.

Physics provides a way of looking at the world. We describe physical phenomena in mathematical terms with the goal of • Correlating phenomena • Predicting new phenomena The description is tested with experiment. Physics is an experimental sci- ence. The payoff is that • The description is either correct or incorrect • The correct results are universal 1 See also [Walecka (2019)].

2 This mechanics course also serves as a nice introduction to the graduate text [Fetter and Walecka (2003)]. 1 January 28, 2020 16:37 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics Mechintroroot page 2 2 Introduction to Classical Mechanics The goal is to develop a physical law, presented as a mathematical re- lation, usually (but not always) a statement on the instantaneous develop- ment of a system, and then derive, and test, the mathematical consequences of that law. The two towering geniuses of physics are Newton and Einstein — New- ton, who invented calculus to implement his second law, and Einstein, who realized our concepts of space and time depend on how fast one is moving and on any nearby mass.3 We start our discussion with homage to Newton, and give a brief review of the elements of calculus that we will need for our Introduction to Classical Mechanics.2 Calculus Consider the curve described by the function f (x). For every smooth curve, there will be a straight-line tangent to that curve at the point x (Fig.

Now move to a neighboring point x+∆x where ∆x is a very small increment. The function will change to f (x) + ∆f (x).1 Tangent to the curve f (x) at the point x, and increment ∆f (x) in the function when x increases by ∆x. The angle that the tangent to the curve makes with the x-axis (the slope) 3 Maxwell and Schrödinger, with their equations, are not far behind. February 6, 2020 10:53 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics MechIntroroot page 3 Introduction 3 is given by ∆f (x) tan θ = ; Limit ∆x → 0 (1.1) ∆x where this expression is exact in the limit that the displacement ∆x becomes vanishingly small.

This quantity is called the derivative of f (x)   df (x) ∆f (x) ≡ Lim ∆x→0 ; derivative (1.2) dx ∆x Given the value of f (x1 ), one can obain the value f (x) by stepping along the curve (Fig.2 From f (x1 ) to f (x) and area under the curve. This is rewritten as N   X (∆f )i f (x) = f (x1 ) + ∆x (1.4) i=1 ∆x The limit N → ∞, which implies ∆x → 0, serves to define the integral February 6, 2020 10:53 BC: 11750 - Introduction to Classical Mechanics MechIntroroot page 4 4 Introduction to Classical Mechanics I(x, x1 ) N   X (∆f )i f (x) − f (x1 ) = Lim ∆x→0 ∆x i=1 ∆x ≡ I(x, x1 ) (1.6) ∆x dx and as ∆x → 0 we call it the differential dx, one has Z x  df (u) I(x, x1 ) = du ; integral (1.7) x1 du where we have simply re-labeled the dummy integration variable. Stepping past x with a finite interval ∆x gives   ∆f (x) I(x + ∆x, x1 ) = I(x, x1 ) + ∆x (1.8) ∆x which is rewritten as   I(x + ∆x, x1 ) − I(x, x1 ) ∆f (x) = (1.9) ∆x ∆x The limit ∆x → 0 then gives dI(x, x1 ) df (x) = (1.10) dx dx The derivative of the integral with respect to its upper limit is the integrand evaluated at that upper limit. It is evident from Fig.2 that as the width of each rectangle decreases, and the number of the rectangles increases, one calculates the area under the curve f (x) Z x A(x, x1 ) = f (u)du ; area (1.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ