tovább fel vissza

Elméleti fizika I.

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

Mozgás gyorsan oszcilláló erőtérben
$$\ddot{\phi}=-\frac{g}{l}\left(1-\frac{A\omega^2}{g}\cos \omega t\right)\sin \phi$$ Ha $\omega^2\gg g/l$, a $\phi$ szög egy lassú ($\approx \sqrt{g/l}$ körfrekvenciájú) $\Phi$ és egy gyors ($\approx \omega$ körfrekvenciájú) $\varphi$ rész összegeként írható fel úgy, hogy $\varphi\ll \Phi$.
Ekkor $$\ddot{\Phi}=\overline{-\frac{g}{l}\left(1-\frac{A\omega^2}{g}\cos \omega t\right)(\sin \Phi\cos \varphi+\cos \Phi\sin \varphi)}\approx -\frac{g}{l}\sin \Phi+\frac{A\omega^2}{l}\cos \Phi\;\overline{\varphi\cos \omega t}$$ ahol a felülvonás a gyors mozgás $2\pi/\omega$ periódusidejére vett időátlag.
A gyors mozgásra: $$\ddot{\varphi}\approx -\frac{g}{l}\cos\Phi \;\varphi +\frac{A\omega^2}{l}\sin \Phi\;\cos \omega t$$ Ez kényszerrezgés egyenlete (ha $2\pi\sqrt{l/g}$-hez képest rövid időtartamokra $\Phi$ állandónak tekintjük), megoldása: $$\varphi=\frac{\frac{A\omega^2}{l}\sin \Phi}{-\omega^2+\frac{g}{l}\cos\Phi }\cos \omega t\approx -\frac{A}{l}\sin \Phi\;\cos \omega t$$ Ezzel $$\overline{\varphi\cos \omega t}= -\frac{A}{2l}\sin \Phi$$ Végül: $$\ddot{\Phi}\approx \left(-\frac{g}{l}-\frac{A^2\omega^2}{2l^2}\cos \Phi\right)\sin \Phi$$ Ha $\Phi\approx \pi$, akkor
$\begin{eqnarray} \sin\Phi&=&\sin(\pi-\Phi)\approx \pi-\Phi\\ \cos\Phi&\approx&-1\\ \frac{d^2}{dt^2}(\Phi-\pi)&\approx& \left(-\frac{g}{l}+\frac{A^2\omega^2}{2l^2}\right)(\pi-\Phi)=-\frac{g}{l}\left(\frac{A^2\omega^2}{2gl}-1\right)(\Phi-\pi) \end{eqnarray}$
Ha $A^2\omega^2>2gl$, akkor ez harmonikus rezgőmozgás egyenlete, tehát a felső holtpont stabil.
A felfüggesztési pont megfelelő frekvenciájú és amplitudójú periodikus mozgatásakor az inga felső holtpontja stabil
Az egyensúlyozás más elven alapul


Mozgás gyorsuló koordináta-rendszerekben

Inerciarendszerben ($K_0$): A $K_0$-hoz képest ${\bf V}(t)$ sebességgel mozgó $K'$ rendszerben: A $K'$-höz képest ${\bf \omega}(t)$ szögsebességgel forgó $K$ rendszerben:
A Föld mint forgó koordinátarendszer
$$m\frac{d{\bf v}}{dt}=-\frac{\partial U}{\partial {\bf r}}+2m{\bf v}\times {\bf \omega}+m{\bf \omega}\times ({\bf r}\times {\bf \omega})$$ A Föld nyugatról kelet felé forog, így az ${\bf \omega}$ szögsebességvektor a Déli-sarktól az Északi-sark felé mutat. Nagysága $\omega=2\pi/(1 {\rm nap})=7,2722\times 10^{-5} \;s^{-1}$.
A Föld sugara $R=40000 km/(2\pi)= 6366 km\approx 6,4\times 10^6 m\quad $ (pontosabb érték: átlagos sugár: $6372,797\; km$, egyenlítői sugár: $6378,137\; km$, poláris sugár: $6356,752\; km$).

A nehézségi gyorsulás függése a földrajzi szélességtől

Legyen $$g_0=G\frac{M}{R^2}\;.$$ Ez - gömb alakú Földet feltételezve - a Föld középpontja felé mutat.
A centrifugális gyorsulás $ \alpha$ szélességi fokon $$a_c=R\cos\alpha\;\omega^2\;,$$ iránya a Föld tengelyére merőleges.
A két tag eredőjének nagysága a koszinusztételből $$g=\sqrt{g_0^2+a_c^2-2g_0a_c\cos\alpha}\approx g_0-a_c\cos\alpha=G\frac{M}{R^2}-R\omega^2\cos^2\alpha=(9,809-0,034\cos^2\alpha)\;\frac{m}{s^2}=9,775(1+0,0035\sin^2\alpha)\;\frac{m}{s^2}$$ Pontosabb formula: $$g=9,780 318 \left( 1+0,0053024\sin^2 \alpha-0,0000058\sin^2 2\alpha \right) - 3,086 \times 10^{-6}h\;,$$ itt $h$ a tengerszint feletti magasság méterben. Ez utóbbi a $$G\frac{M}{(R+h)^2}\approx G\frac{M}{R^2}-2G\frac{M}{R^3}h\approx 9,809-3,078\times 10^{-6}h$$ sorfejtésből kapható. A szögfüggésben tapasztalható eltérést a Föld alakjának gömbtől való eltérése magyarázza.

A Coriolis-erő hatásai

Gömbi polárkoordinátákban ($\vartheta=\pi/2-\alpha$) írjuk fel a $2m{\bf v}\times {\bf \omega}\quad$ Coriolis-erőt:
Legyen $${\bf v}=v_\vartheta{\bf e}_\vartheta+v_\varphi{\bf e}_\varphi\;.$$ A szögsebesség vektora Descartes-koordinátákban, ha a $z$ tengely a Déli-sarktól az Északi-sark felé mutat, $${\vec \omega}=\left(\begin{array}{c}0\\0\\\omega\end{array}\right)\;,$$ polárkoordinátákban $${\vec \omega}=\omega\cos\vartheta{\bf e}_r-\omega\sin\vartheta{\bf e}_\vartheta \;.$$ Ezzel a Coriolis-erő $${\bf F}_C=2m\omega\sin\vartheta v_\varphi {\bf e}_r +2m\omega\cos\vartheta v_\varphi{\bf e}_\vartheta -2m\omega\cos\vartheta v_\vartheta {\bf e}_\varphi$$ A Coriolis-erő vízszintes komponensei: $$2m\omega\sin\alpha\left(- v_\varphi{\bf e}_\alpha + v_\alpha {\bf e}_\varphi\right)$$ Ez az északi féltekén ($\alpha>0$) jobbra, a déli féltekén ($\alpha <0$) balra térít ki a sebesség irányához képest.
Itt $${\bf e}_\alpha=-{\bf e}_\vartheta$$ délről észak felé mutat. Ennek megfelelően $$v_\alpha=-v_\vartheta$$ a sebesség északi irányú komponense.


Szabadesés a forgó Földön

Az $x$ tengely mutasson kelet felé, az $y$ tengely észak felé, a $z$ tengely pedig függőlegesen felfelé. Ezúttal $${\vec \omega}=\omega\sin\alpha\;{\bf e}_z+\omega\cos\alpha\;{\bf e}_y$$ és $${\bf v}=\dot{x}\; {\bf e}_x+\dot{y}\; {\bf e}_y+\dot{z}\; {\bf e}_z\;,$$ így a Coriolis-erő: $${\bf F}_C=2m\omega(\sin\alpha\; \dot{y}-\cos\alpha\; \dot{z}) {\bf e}_x-2m\omega\sin\alpha\; \dot{x} {\bf e}_y+2m\omega\cos\alpha \;\dot{x} {\bf e}_z\;.$$ A nehézségi gyorsulás helyfüggését elhanyagolva a mozgásegyenletek:
$\begin{eqnarray} \ddot{x}&=&2\omega\sin\alpha \;\dot{y}-2\omega\cos\alpha \;\dot{z}\\ \ddot{y}&=&-2\omega\sin\alpha \;\dot{x}\\ \ddot{z}&=&-g+2\omega\cos\alpha \;\dot{x} \end{eqnarray}$
Kezdetben legyen $$x=y=z=0$$ és $$\dot{x}=\dot{y}=\dot{z}=0\;.$$ Megoldás $\omega$ szerinti sorfejtéssel:
$\begin{eqnarray} {x}&=&\frac{1}{3}\omega\cos\alpha \;gt^3\\ {y}&=&-\frac{1}{6}\omega^2\sin\alpha\cos\alpha \;gt^4\\ {z}&=&-\frac{g}{2}t^2+\frac{1}{6}\omega^2\cos^2\alpha \;gt^4 \end{eqnarray}$


A Foucault-inga

Mozgásegyenletek (hosszú inga, kis kitérés):
$\begin{eqnarray} \ddot{x}&=&-\frac{g}{l}x+2\omega\sin\alpha \;\dot{y}\\ \ddot{y}&=&-\frac{g}{l}y-2\omega\sin\alpha \;\dot{x} \end{eqnarray}$
Legyen $$x=r\cos\zeta\quad{\rm és}\quad y=r\sin\zeta\;.$$ Mivel $r$ gyorsan változik, $\zeta$ pedig lassan, a fenti egyenletekből közelítőleg
$\begin{eqnarray} \ddot{r}&=&-\frac{g}{l}r\\ \dot{\zeta}&=&-\omega\sin\alpha \end{eqnarray}$
adódik. A lengés síkja tehát $\omega\sin\alpha$ szögsebességgel fordul el. Az elfordulás iránya az északi féltekén az óramutató járásával megegyezik, a déli féltekén azzal ellentétes.

tovább fel vissza
bene@arpad.elte.hu