tovább fel vissza

Elméleti fizika I.

Bene Gyula
Eötvös Loránd Tudományegyetem, Elméleti Fizikai Tanszék
1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A
2. hét keddi előadás

Newton I. törvénye (tehetetlenség törvénye)

"A magára hagyott test egyenes vonalú egyenletes mozgást végez."
Ez a tehetetlenség törvénye. Hol érvényes a tehetetlenség törvénye? Inerciarendszerben. Mi az inerciarendszer? Olyan vonatkoztatási rendszer, melyben érvényes a tehetetlenség törvénye.
A circulus vitiosusból a kiút: van olyan vonatkoztatási rendszer, melyben érvényes a tehetetlenség törvénye. Korlátozott távolságok és időtartamok esetén a gravitációs térben szabadon eső testekhez rögzített kordinátarendszerek ilyenek. Közelítőleg inerciarendszernek tekinthető a távoli (a Tejútrendszerhez tartozó) csillagokhoz rögzített vonatkoztatási rendszer is, vagy akár a földi koordinátarendszer (ha pl. vízszintes mozgásokat vizsgálunk).
Megjegyzés: Az általános relativitáselmélet a természet törvényeinek olyan megfogalmazását adja, amelyek bármely kordinátarendszerben azonos általános alakúak (kovariánsak).

Newton II. törvénye (a dinamika alaptörvénye) $${\bf F}=m{\bf a}$$ avagy $${\bf F}=\frac{d\; (m{\bf v})}{dt}\equiv m\frac{d^2{\bf r}}{dt^2}\equiv m\ddot{{\bf r}}$$
A tehetetlenség törvényétől való eltérést inerciarendszerben erők jelenlétének tulajdonítjuk.
Mi az erő? Két test kölcsönhatását jellemző olyan fizikai mennyiség, amit a tömeg és gyorsulás szorzatával mérhetünk.
Mi a (tehetetlen) tömeg? Az erő és a gyorsulás közötti arányossági tényező, rögzített erőhatás mellett különböző tömegek különböző gyorsulásokat eredményeznek.
Valójában egy fizikai elmélet fogalmai összefüggéseikből kiszakítva sohasem definiálhatók, ehelyett az elmélet hatókörébe eső tapasztalati tények értelmezhetők az elmélet fogalmaival. Ezek kölcsönös összhangja és a levezethető és ellenőrizhető mennyiségi kijelentések bizonyítják az elmélet érvényességét és igazolják az elmélet fogalmi apparátusánal létjogosultságát.
Az erőt tekintjük a gyorsulás okának. Példák: Két tömegpont közötti gravitációs erő: $${\bf F}=G\frac{m_1 m_2 {\bf r}_{12}}{r_{12}^3}$$ Két ponttöltés között ható elektrosztatikus erő: $${\bf F}=\frac{1}{4\pi \epsilon_0}\frac{q_1 q_2 {\bf r}_{12}}{r_{12}^3}$$ Mágneses térben mozgó ponttöltésre ható erő (Lorentz-erő): $${\bf F}=q{\bf v} \times {\bf B}$$ Rugóerő (kis megnyúlásnál): $${\bf F}=-D{\bf r}$$ Közegellenállás (kis sebességek): $${\bf F}=-6\pi \eta R{\bf v}$$ Közegellenállás (nagy sebességek): $${\bf F}=-kv{\bf v}$$ A mozgásegyenletek pontrendszerre: $$m\ddot{{\bf r}_i}=\sum_{j\ne i} {\bf F}_{ij}(\{{\bf r}_k, {\bf v}_k\})$$ $N$ számú tömegpont esetén $3N$ db másodrendű differenciálegyenlet. Egyenletenként 2 db integrációs konstans van, melyeket a kezdeti feltételekből lehet meghatározni. Összesen tehát $6N$ integrációs konstans van az általános megoldásban, melyet az $N$ db kezdeti $\bf r_i(0)$ helyvektor és $N$ db $\bf v_i(0)$ kezdeti sebességvektor komponensei határoznak meg.

Newton III. törvénye (a hatás-ellenhatás törvénye)

Két test kölcsönhatása esetén az egyik által a másikra gyakorolt erő ugyanolyan nagyságú és éppen ellentétes irányú, mint a másik által az egyikre gyakorolt erő. Münchhausen nem tudja magát kihúzni a hajánál fogva a mocsárból: az erő és az ellenerő éppen egyenlőek.

Az erőhatások függetlensége (IV. axióma)

Az egyidejűleg ható erők vektorok módjára összegződnek.

A munkatétel

Munka (az erő szorozva az erő irányába eső elmozdulással): $$\int_1^2 {\bf F} d{\bf r}$$ Munkatétel: $$\int_1^2 {\bf F} d{\bf r}=\int_1^2 m \dot{\bf v}{\bf v} dt=\int_1^2 \frac{d}{dt}\left(\frac{1}{2}m v^2\right) dt=\frac{1}{2}m v_2^2-\frac{1}{2}m v_1^2$$ Itt $$\frac{1}{2}m v^2$$ a mozgási energia (kinetikus energia).

Konzervatív erőterek

A munka általában nemcsak a kezdeti és végső térbeli helyzettől, hanem a kettő közötti pályától is függ. Fontosak azok az erőterek, ahol nincs ilyen függés: $$\int_{L_{12}}{\bf F} d{\bf r}=\int_{L'_{12}}{\bf F} d{\bf r}$$ Példák: gravitációs tér, elektrosztatikus tér.
Potenciális energia : $$V({\bf r})=-\int_{{\bf r}_0}^{{\bf r}}{\bf F} d{\bf r}$$ $$\Rightarrow$$ $${\bf F}=-{\rm grad}V\equiv -{\bf \nabla} V=\left(\begin{array}{c}-\frac{\partial V}{\partial x}\\-\frac{\partial V}{\partial y}\\-\frac{\partial V}{\partial z}\end{array}\right)$$ Ugyanis $$\Delta {\bf r}\cdot {\rm grad} V\approx V({\bf r}+\Delta {\bf r})-V({\bf r})=-\int_{{\bf r}_0}^{{\bf r}+\Delta {\bf r}}{\bf F} d{\bf r}+\int_{{\bf r}_0}^{{\bf r}}{\bf F} d{\bf r}=-\int_{{\bf r}}^{{\bf r}+\Delta {\bf r}}{\bf F} d{\bf r}\approx -\Delta {\bf r}\cdot {\bf F}$$ Másrészt $$\int_{L_{12}}{\bf F} d{\bf r}=\int_{L'_{12}}{\bf F} d{\bf r}$$ $$\Rightarrow$$ $$\oint_{LL'}{\bf F} d{\bf r}=0$$ Stokes tétele: $$\oint {\bf F}\; d{\bf r}=\int {\rm rot}{\bf F}\; d{\bf A}$$ $${\rm rot}{\bf F}\equiv {\bf \nabla}\times {\bf F}=\left(\begin{array}{c}\frac{\partial F_z}{\partial y}-\frac{\partial F_y}{\partial z}\\\frac{\partial F_x}{\partial z}-\frac{\partial F_z}{\partial x}\\\frac{\partial F_y}{\partial x}-\frac{\partial F_x}{\partial y}\end{array}\right)$$ Mivel tetszőlegesen kis kontúrral határolt felületre $$\int {\rm rot}{\bf F}\; d{\bf A}=0$$ $$\Rightarrow\quad {\rm rot}{\bf F}=0\quad\iff\quad {\bf F}=-{\rm grad}V$$ A rotációmentes tér potenciálból származtatható.

A mechanikai energia megmaradása

Konzervatív erőtérben végzett munka: $$\int_1^2 {\bf F} d{\bf r}=\int_0^2 {\bf F} d{\bf r}-\int_0^1 {\bf F} d{\bf r}=-V({\bf r}_2)+V({\bf r}_1)$$ A munkatétel szerint tehát $$-V({\bf r}_2)+V({\bf r}_1)=\frac{1}{2}m v_2^2-\frac{1}{2}m v_1^2$$ azaz $$\frac{1}{2}m v_1^2+V({\bf r}_1)=\frac{1}{2}m v_2^2+V({\bf r}_2)$$ A mechanikai energia, azaz a mozgási energia és a potenciális energia összege megmarad. $$\frac{dE}{dt}=\frac{d}{dt}\left(\frac{1}{2}m v^2+V({\bf r})\right)=m{\bf v}\dot{{\bf v}}+\dot{{\bf r}}{\bf \nabla}V={\bf v}\left(m\dot{{\bf v}}-{\bf F}\right)=0$$
Megjegyzés: az energia megmaradása az időeltolási invariancia (szimmetria) következménye.

Galilei-invariancia: a mechanika egyenletei (csak koordinátáktól függő erők esetén) változatlan alakban érvényesek különböző (pl. egymáshoz képest állandó sebességgel mozgó) inerciarendszerekben.
tovább fel vissza
bene@arpad.elte.hu