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THERE ONCE WAS A CLASSICAL THEORY… Introductory Classical Mechanics, with Problems and Solutions David Morin …Of which quantum disciples were leery. They said, “Why spend so long On a theory that’s wrong?” Well, it works for your everyday query! Copyright © 2004 by David Morin All rights reserved Contents 1 Statics I-1 1.1 Balancing forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-1 1.2 Balancing torques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-5 1.3 Exercises 1.4 Problems 1.5 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-17 2 Using F = ma II-1 2.1 Newton’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II-1 2.2 Free-body diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II-4 2.3 Solving differential equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II-8 2.4 Projectile motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II-12 2.5 Motion in a plane, polar coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . II-15 2.6 Exercises 2.7 Problems 2.8 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II-18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II-24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II-28 3 Oscillations III-1 3.1 Linear differential equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III-1 3.2 Simple harmonic motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III-4 3.3 Damped harmonic motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III-6 3.4 Driven (and damped) harmonic motion . . . . . . . . . . . . . . . . III-8 3.5 Coupled oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III-13 3.6 Exercises 3.7 Problems 3.8 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III-18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III-22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III-24 4 Conservation of Energy and Momentum IV-1 4.1 Conservation of energy in 1-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-1 4.2 Small Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-6 4.3 Conservation of energy in 3-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-8 4.3.1 Conservative forces in 3-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-9 4.4 Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-12 4.4.1 Gravity due to a sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-12 4.4.2 Tides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-14 1 2 CONTENTS 4.5 Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-17 4.5.1 Conservation of momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-17 4.5.2 Rocket motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-19 4.6 The CM frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-20 4.6.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-20 4.6.2 Kinetic energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-22 4.7 Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-23 4.7.1 1-D motion 4.7.2 2-D motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-25 4.8 Inherently inelastic processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-26 4.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-30 4.10 Problems 4.11 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-41 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV-47 5 The Lagrangian Method V-1 5.1 The Euler-Lagrange equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-1 5.2 The principle of stationary action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-4 5.3 Forces of constraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-10 5.4 Change of coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-12 5.5 Conservation Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-15 5.5.1 Cyclic coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-15 5.5.2 Energy conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-16 5.6 Noether’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-18 5.7 Small oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-21 5.8 Other applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-24 5.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-27 5.10 Problems 5.11 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-29 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-34 6 Central Forces VI-1 6.1 Conservation of angular momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-1 6.2 The effective potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-3 6.3 Solving the equations of motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-5 6.3.1 Finding r(t) and µ(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-5 6.3.2 Finding r(µ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-6 6.4 Gravity, Kepler’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-6 6.4.1 Calculation of r(µ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-6 6.4.2 The orbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-8 6.4.3 Proof of conic orbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-10 6.4.4 Kepler’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-11 6.4.5 Reduced mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-13 6.5 Exercises 6.6 Problems 6.7 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI-20 ... - tailieumienphi.vn
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