答:动能公式有相对论动能公式和牛顿力学动能公式,其中后者是前者在宏观低速下的近似。
牛顿力学的动能公式,主要根据牛顿第二定律(f=ma)推导出来,推导过程如下:其中力对位移的积分,是力对物体做功的定义,最后即可得到牛顿力学的动能公式。
该公式的含义是,一个60千克的人,以7m/s的速度奔跑的话,他的动能大小为:Ek=mv^2/2=60*7^2/2=1470焦耳。
但是在相对论力学中,动能公式有着更深层的含义,物体的动能可以表示成“物体因运动增加的相对论质量",大小可以由质能方程给出:虽然在牛顿力学和相对论力学中,动能公式的形式不一样,但是两者是统一与和谐的,在物体运动速度远小于光速时,相对论动能公式,即可退化为牛顿力学动能公式。
如果要说本质的话,相对论动能公式,才是对物体动能大小的精确描述,而牛顿力学只是近似公式而已。
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在经典力学中,动能的表达式是质量乘以速度的平方再除以二,动能和势能统称机械能,为了得到动能的表达式,我们首先需要定义功。
一个力作用于物体,如果物体在力的方向上移动了一段距离,我们说这个力对物体做了正功,物体的动能将增加。
反之,如果力的方向和物体移动的方向相反,力就对物体做了负功,物体的动能将减少。
如果物体受到很多力的作用,我们可以分别考虑力对物体的作功然后再把它们加起来,或者考虑合力对物体的作功。
考虑到力和物体的位移都是矢量(都有方向),我们把力对物体的作功定义为点乘:上式中F表示力,dx表示物体在dt时间内的位移,我们还可以定义力对物体做功的功率,功率的定义是单位时间内的作功,即dW/dt,考虑到dx/dt是速度,所以力对速度的点乘就是功率。
为了简单考虑,以下假设物体质量为m,只受到一个力F的作用(或者我们把这个力想象为合力),沿着某个路径从a运动到b,这需要把所有的dW加起来,写成积分的形式:我们假设物体在三维空间运动,所以力和位移的微元都是三维矢量,我们现在继续来计算上面的积分,在以上推导过程中,我们使用了牛顿第二定律,F=ma,a是加速度,a=dv/dt。
最终我们得到了动能Ek的表达式:我们可以做个小估算,一个质量为70kg的人以10米每秒的速度奔跑,他的动能是:假设这个人用10秒时间从静止奔跑到10米每秒的速度,那么这个人的平均功率是350W,正好是一马力(746W)的一半左右。
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