在
经典力学里,对于一个
动力系统,随着时间的演进,所有保持不变的
物理量都称为守恒量(conserved quantity),又称为运动
常数。由于很多
物理定律会表达某种守恒行为,对应的守恒量时常会出现于真实系统。例如,假设在某系统内涉及的作用力是
保守力,则此系统的能量是守恒量。假设涉及的作用力是连心力,则此系统的
角动量是守恒量。
根据
动量守恒定律,如果一个系统内部的粒子所受外力的总和为零,则该系统的动量保持不变。这意味着,如果没有外力作用,或者外力相互抵消,系统中粒子的动量是一个守恒量。在这种情况下,粒子将保持匀速
直线运动或静止状态。动量守恒可以用
牛顿第二运动定律来表达,即当净外力为零时,动量的时间
偏导数也为零,因此动量不随时间改变。
角动量守恒定律指出,如果一个系统内部的粒子所受外
力矩的总和为零,则该系统的角动量保持不变。这表明在没有外力矩或外力矩相互抵消的情况下,系统中粒子的
角动量是一个守恒量。粒子将保持匀
角速度运动或直线运动。角动量守恒的数学表达是,当净外力矩为零时,角动量的时间导数也为零,因此角动量是一个
常数。
在
经典力学中,一个粒子的能量是其动能和
势能的总和。
能量守恒定律表明,如果一个粒子所受的所有外力都是
保守力,那么这个粒子的能量是守恒的。能量守恒可以用数学
方程来描述,其中能量是动能和势能的代数和。动能与粒子的运动速度有关,而势能与粒子所受的保守力有关。如果系统中的所有力都是保守力,那么能量对时间的
导数为零,表明能量是一个守恒量。
在
拉格朗日力学中,
物理系统的拉格朗日量是动能和势能的差值。
拉格朗日方程描述了系统的运动轨迹。如果拉格朗日量不显式地依赖于时间,那么可以定义一个能量函数,它是广义
动量和广义速度的乘积与拉格朗日量的差。这个能量函数对时间的导数等于拉格朗日量对时间的
偏导数的相反数。因此,如果拉格朗日量不依赖于时间,能量函数是一个守恒量,可以被视为系统的能量,从而表明系统的能量守恒。