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速度合成与分解的适用情况
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大魔法師 十一級
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1樓 發表於:2026-8-9 13:40
场景:经典力学,宏观低速

这个问题看起来莫名其妙,既然速度是矢量,似乎就应该天然满足向量法则(三角形or平行四边形),然而事情并没有这么简单

情景1:两匹马以相同的速度v拉着车向前,如果按照加法原理,车的速度应该是2v,但根据生活实际,我们知道,车的速度也是v,这又是哪里导致的问题?

情景2: 两个沿中轴对称的定滑轮,通过每个滑轮有根绳,绳和中轴夹角60度,以相同速率v,俩绳共同吊着中轴上的重物往上拉。很显然,两个物体上的绳端的速度在竖直方向的分解大小均可记为0.5v,重物上移的速率是2v,而不是两个绳的速度向量和的大小2*0.5v=v

情景3:
A,B船各用一根绳拉着C,C在A,B下方,AB绳夹角(锐角)sin=0.8,A的速率是2m/s,B的速率是2.4m/s,求C的速率,发现用向量和直接得到结果是错误的

对上述问题,我们先给出答案,因为我们看到的“某方向的速度”是我们感受到的(“和速度”分解成的)“分速度”互相作用的最终效果。且在情景1中是同种效果。本质上,我们看到的物体某方向的速度是速度向量在某个方向上的投影,把投影向量做向量和,除非是正交情况,否则不会得到原来的和向量。

名词解释:
速度:有大小有方向的向量,大小表示速率
向量和:向量通过三角形法则或平行四边形法则进行加和。如果本文中不加特别说明,两个向量和都采用这种加和方式
分速度:和速度符合向量加和法则的分解,本身相互独立,作用叠加形成和速度or贡献叠加形成某方向上的速度效果,无法直接测得
和速度:在某一参考系下物体表现出的单个(唯一的)速度,“分速度”的向量和
某方向的速度:和速度在某方向的正投影。可以直接测得。
sqr(x):x的算数平方根
vec v1:  向量v1
proj_v1(v2): vec v2 在 vec v1方向上的投影
所有涉及到的绳子都是硬绳,不可伸长,保持紧绷

特殊的,正交分解出的分速度即是“和速度”的分解,又是“和速度”在相应方向的投影,因为在正交方向上分解出的两个“分速度”独立发挥作用,不会相互影响产生叠加效果

讨论建立在一个参考系:和速度,分速度,某方向的速度,都是对物体显示出来的和速度的多角度看待,所以是在一个参考系里的。

问题的核心很简单,我们看到的某方向的速度,是和速度在某个方向的正投影,而不是我们以为的速度分解。两个投影加起来,除非较小的夹角是直角(正交情况),否则加和结果都不等于原向量。

某方向的速度为什么是速度在某方向的正投影?
速度由位移/时间得来,此问题相当于问位移的情况。假设你在坐标原点,往西北走了2m,我说你在北方向走了多少,很显然我们会使用投影的结果,即sqr(2)。如果某方向的速度理解为速度的分解,那么有无穷个答案,对于正北方向任意的向量,都能找到唯一的向量(向量减法),两个和起来正好是西北2m,故有无穷组答案,这么说是没有意义的。

怎么样的速度可以合成分解?
对于因(最终物体速度的由来)可以,对于果(和速度在某方向的投影,即效果),不可以。关键在于区分这是个独立完整的速度,还是一个速度在某方向的投影效果。
对于这个因,既可以是多个参考系下相对速度合成(比如飞机对云,云对地,得到飞机对地)(只不过这不是我们主要讨论的情况);也可以是等效对“和速度”的拆解,手动按照向量法则拆出来,相当于给“和速度”找个因,而这个因符合向量规则。

进行“和速度”拆分有物理意义吗?就这么自己弄个分速度,说实际体现的速度是“分速度”效果叠加得到的,有依据吗?假想的逻辑真的符合物理规律吗?
有的有的。我们知道力是改变物体速度的原因,也就是力->加速度->速度。我们所说的“分速度”,可以理解为分力在时间上累积的结果。对速度拆分很陌生,但是对力拆分我们都很熟悉,“和速度”是合力在时间上的累积,“分速度”是等效分力在时间上的累积,合力等效于各分力,于是有「合力作用效果等于各分力作用效果的和」。于是有「和速度等于各分速度的和」,这两者在本质上是一致的。从效果上来说,和速度在某方向的正投影等于各分速度在该方向的正投影的和,这在数学上也是成立的。

用这个理论如何解决一开始的问题?
情景1:   速度向上,且速度在上方向的投影是1,唯一确定速度是1。投影效果叠加无法还原原速度,况且这两个效果描述的是同一种情况,都是向上的投影

情景2:由正投影可得,有两个全等的直角三角形,角度知道,一条直角边长(绳速)知道,可得物体上升速度为2v

情景3:  引入两个分速度v1, v2,方向分别是A绳,B绳方向,大小分别是2和2.4,分速度的作用效果为实际某方向的速度,
即v1,v2在v1方向正投影大小为A绳速,|vec v1 + proj_v1(v2)|=2
同理 |proj_v2(v1)+vec v2|=2.4
可以解得两个独立的分速度(因)的大小
vec v = vec v1 + vec v2
C速率大小即为|vec v|


参考(致谢):
【【高中物理必修2系统课】5.关联速度问题|三个步骤彻底拿捏-哔哩哔哩】 https://b23.tv/nCKeAO6
【速度为什么不能任意合成 高中物理-哔哩哔哩】 https://b23.tv/WvoTCnq
【高中物理每日一练,正确理解双绳关联速度问题为什么不能直接合成-哔哩哔哩】 https://b23.tv/Kkc55gJ
亨利
見習魔法師 二級
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2樓 發表於:2026-8-9 14:57
这位尊贵的先生……不知道您有没有见过我的妻子安妮……(不顾自己面前的人如何回应,自顾自地说)我已经等她很久了……
 
star:没有诶
  2026-8-9 16:50 回復
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作者:star
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