tovább fel vissza

Elméleti fizika I.

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

Pontrendszerek dinamikája
$$m_i \ddot{\bf r}_i=\sum_{j\ne i}{\bf F}_{ij}+{\bf F}_{i}\quad (i,j=1\dots N)$$ Itt ${\bf F}_{ij}$ a $j$-edik ponttömeg által az $i$-edikre kifejtett erő, ${\bf F}_{i}$ pedig a külső erőtér által az $i$-edik ponttömegre kifejtett erő.
$i$-re összegezve: $$\sum_i m_i \ddot{\bf r}_i=\sum_i {\bf F}_{i}$$ ugyanis
$ \begin{eqnarray} \sum_i \sum_{j\ne i}{\bf F}_{ij}&=& \sum_i \sum_{j< i}{\bf F}_{ij}+\sum_i\sum_{j> i}{\bf F}_{ij}=\sum_i \sum_{j< i}{\bf F}_{ij}+\sum_j \sum_{i< j}{\bf F}_{ij}\\ &=&\sum_i\sum_{j< i}{\bf F}_{ij}+\sum_i \sum_{j< i}{\bf F}_{ji} =\sum_i \sum_{j< i}\left({\bf F}_{ij}+{\bf F}_{ji}\right)=0 \end{eqnarray} $
Newton III. törvénye szerint (hatás-ellenhatás).
Bevezetjük a tömegközéppont fogalmát az $${\bf R}=\frac{\sum_i m_i {\bf r}_i}{\sum_i m_i}$$ definícióval. Legyen továbbá a pontrendszer együttes tömege $$M=\sum_i m_i$$ Ekkor $$M\ddot{\bf R}=\sum_i {\bf F}_{i}$$ A tömegközéppont gyorsulását tehát a pontrendszerre kívülről ható erők eredője határozza meg.$\Rightarrow$ Külső erők hiányában a tömegközéppont egyenesvonalú egyenletes mozgást végez.
A pontrendszer teljes impulzusa $${\bf P}=\sum_i m_i \dot{\bf r}_i=M\dot{\bf R}$$ Ezzel a dinamikai egyenlet $$\dot{\bf P}=\sum_i {\bf F}_{i}$$ alakban is felírható. $\Rightarrow$ Külső erők hiányában az összimpulzus megmaradó mennyiség.
A pontrendszer teljes impulzusmomentuma $${\bf N}=\sum_i {\bf r}_i\times m_i \dot{\bf r}_i$$ Ennek időderiváltja $$\frac{d{\bf N}}{dt}\equiv \dot{\bf N}=\underbrace{\sum_i \dot{\bf r}_i\times m_i \dot{\bf r}_i}_{=0}+\sum_i {\bf r}_i\times m_i \ddot{\bf r}_i=\sum_i {\bf r}_i\times {\bf F}_{i}$$ feltéve, hogy a rendszer tagjai között csak centrális erők hatnak, ekkor ugyanis
$ \begin{eqnarray} \sum_i {\bf r}_i\times\sum_{j\ne i}{\bf F}_{ij}&=& \sum_i \sum_{j< i}{\bf r}_i\times{\bf F}_{ij}+\sum_i\sum_{j> i}{\bf r}_i\times{\bf F}_{ij}=\sum_i \sum_{j< i}{\bf r}_i\times{\bf F}_{ij}+\sum_j \sum_{i< j}{\bf r}_i\times{\bf F}_{ij}\\ &=&\sum_i\sum_{j< i}{\bf r}_i\times{\bf F}_{ij}+\sum_i \sum_{j< i}{\bf r}_j\times{\bf F}_{ji} =\sum_i \sum_{j< i}\left({\bf r}_i-{\bf r}_j\right)\times{\bf F}_{ij}=0 \end{eqnarray} $
$\Rightarrow$ Külső forgatónyomaték hiányában a teljes impulzusmomentum megmaradó mennyiség.
Írjuk ${\bf r}_i$-t ${\bf R}+{\bf r}_i'$ alakba, ahol ${\bf r}_i'$ a tömegközépponttól mért helyvektor! Ezzel $${\bf N}=\sum_i ({\bf R}+{\bf r}_i')\times m_i (\dot{\bf R}+\dot{\bf r}_i')=M{\bf R}\times \dot{\bf R}+\underbrace{\sum_i {\bf r}_i'\times m_i \dot{\bf r}_i'}_{=N'}$$ Továbbá $$\dot{\bf N}=\sum_i ({\bf R}+{\bf r}_i')\times {\bf F}_{i}={\bf R}\times \sum_i {\bf F}_{i}+\sum_i {\bf r}_i'\times {\bf F}_{i}$$ $\Rightarrow$ $$\dot{\bf N'}=\sum_i {\bf r}_i'\times {\bf F}_{i}$$ Vagyis az impulzusmomentum mozgásegyenlete a(z általában gyorsuló mozgást végző) tömegközéppontra vonatkozóan is teljesül.
Műkorcsolyázó piruettje (A forgás sebessége megnő, hogy az impulzusmomentum állandó maradhasson)
A macska talpraesik. (Az impulzusmomentum megmaradása ellenére a pontrendszer térbeli szöghelyzete még nulla impulzusmomentum esetében is változhat belső erők hatására.)
Konzervatív pontrendszer energiája: $$E=\sum_i\frac{1}{2}m_i \dot{\bf r}_i^2+V({\bf r}_1,\dots {\bf r}_N)$$ A potenciál egy tipikus alakja: $$V({\bf r}_1,\dots {\bf r}_N)=\sum_i\sum_{j< i} V_{ij}(r_{ij})+\sum_i V_i({\bf r}_i)=\frac{1}{2}\sum_i\sum_{j\ne i} V_{ij}(r_{ij})+\sum_i V_i({\bf r}_i)$$ Itt $r_{ij}=\left|{\bf r}_i-{\bf r}_j\right|$, továbbá $V_{ij}=V_{ji}$ az $i$-edik és $j$-edik ponttömegből álló pár potenciális energiája, $V_i$ pedig az $i$-edik ponttömeg potenciális energiája a külső erőtérben.
Lagrange-függvény: $$L=\sum_i\frac{1}{2}m_i \dot{\bf r}_i^2-V({\bf r}_1,\dots {\bf r}_N)$$ ill. speciálisan $$L=\sum_i\frac{1}{2}m_i \dot{\bf r}_i^2-\frac{1}{2}\sum_i\sum_{j\ne i} V_{ij}(r_{ij})-\sum_i V_i({\bf r}_i)$$ Euler-Lagrange-mozgásegyenlet: $$m_i \ddot{\bf r}_i=-\frac{\partial V}{\partial {\bf r}_i}$$ ill. speciálisan $$m_i \ddot{\bf r}_i=-\sum_{j\ne i} V_{ij}'\frac{{\bf r}_{ij}}{r_{ij}}- \frac{\partial V_{i} }{\partial {\bf r}_{i}}$$ Tehát az erők $${\bf F}_{ij}=-\frac{\partial V_{ij}}{\partial {\bf r}_{i}}=- V_{ij}'\frac{{\bf r}_{ij}}{r_{ij}}$$ és $${\bf F}_{i}=-\frac{\partial V_{i} }{\partial {\bf r}_{i}}$$ Az energia időderiváltja: $$\dot{E}=\sum_i m_i \dot{\bf r}_i\ddot{\bf r}_i+\sum_i \dot{\bf r}_i\frac{\partial V}{\partial {\bf r}_i}=\sum_i \dot{\bf r}_i\left(m_i\ddot{\bf r}_i+\frac{\partial V}{\partial {\bf r}_i}\right)=0 $$ A konzervatív pontrendszer mechanikai energiája megmarad.
Alkalmazás kettőscsillag mozgására:
$ \begin{eqnarray} m_1 \ddot{\bf r}_1=-G\frac{m_1m_2}{r_{12}^3}\left({\bf r}_{1}-{\bf r}_{2}\right)\\ m_2 \ddot{\bf r}_2=-G\frac{m_1m_2}{r_{12}^3}\left({\bf r}_{2}-{\bf r}_{1}\right) \end{eqnarray} $
A két egyenlet összege a tömegközéppont mozgásegyenletét adja: $$M\ddot{\bf R}=0$$ ahol most $$M=m_1+m_2$$ és $${\bf R}=\frac{m_1{\bf r}_1+m_2{\bf r}_2}{m_1+m_2}$$ Vezessük be a két csillag ${\bf r}_{12}={\bf r}_{1}-{\bf r}_{2}$ relatív helyvektorát! Erre a mozgásegyenletekből azt kapjuk, hogy $$\ddot{\bf r}_{12}=-G\frac{m_1+m_2}{r_{12}^3}{\bf r}_{12}=-G\frac{m_1+m_2}{m_1m_2}\frac{m_1m_2}{r_{12}^3}{\bf r}_{12}$$ vagy másképpen: $$\frac{m_1m_2}{m_1+m_2}\ddot{\bf r}_{12}=-G\frac{m_1m_2}{r_{12}^3}{\bf r}_{12}$$ A relatív mozgás egyenletében tehát a $$\mu=\frac{m_1m_2}{m_1+m_2}=\frac{1}{\frac{1}{m_1}+\frac{1}{m_2}}$$ redukált tömeg lép föl. Formálisan tehát egy $\mu$ tömegű ponttömeg mozog az eredeti $-Gm_1m_2/r_{12}$ centrális potenciálban. A megmaradó impulzusmomentum $${\bf N}=\mu {\bf r}_{12}\times\dot{\bf r}_{12}$$ Ez éppen a tömegközéppontra vonatkozó teljes impulzusmomentummal egyenlő. Ha ugyanis ${\bf R}=0$ (tömegközépponti rendszer), akkor
$ \begin{eqnarray} {\bf r}_1=\frac{m_2}{m_1+m_2}{\bf r}_{12}\\ {\bf r}_2=-\frac{m_1}{m_1+m_2}{\bf r}_{12} \end{eqnarray} $
és a kettőscsillag-rendszer teljes impulzusmomentuma $${\bf N}={\bf r}_1\times m_1\dot{\bf r}_1+{\bf r}_2\times m_2\dot{\bf r}_2= \left[\left(\frac{m_2}{m_1+m_2}\right)^2m_1+\left(\frac{m_1}{m_1+m_2}\right)^2m_2\right]{\bf r}_{12}\times\dot{\bf r}_{12}=\mu {\bf r}_{12}\times\dot{\bf r}_{12}$$ A megmaradó mechanikai energia: $$E=\frac{1}{2}m_1\dot{\bf r}_1^2+\frac{1}{2}m_2\dot{\bf r}_2^2-G\frac{m_1m_2}{r_{12}}=\frac{1}{2}\left[m_1\left(\frac{m_2}{m_1+m_2}\right)^2+m_2\left(\frac{m_1}{m_1+m_2}\right)^2\right]\dot{\bf r}_{12}^2-G\frac{m_1m_2}{r_{12}}=\frac{1}{2}\mu\dot{\bf r}_{12}^2-G\frac{m_1m_2}{r_{12}}$$ amennyiben a választott koordinátarendszerben a tömegközéppont nyugalomban van.
A kettőscsillag-rendszer tagjai a tömegközéppont körül geometriailag hasonló ellipszispályákon mozognak. Kepler törvényei ezzel a módosítással érvényben maradnak.
Az ellipszispályák paramétereinek kiszámítása. $$\epsilon=\sqrt {1+\frac{2E}{\mu}\left(\frac{N}{Gm_1m_2}\right)^2}$$ $$p_1=\frac{N^2}{Gm_1^2m_2}$$ $$a_1=\frac{p_1}{1-\epsilon^2}=\frac{Gm_2\mu}{2|E|}$$ $$b_1=\frac{p_1}{\sqrt{1-\epsilon^2}}=\frac{N}{m_1}\sqrt{\frac{\mu}{2|E|}}$$ $$p_2=\frac{N^2}{Gm_2^2m_1}$$ $$a_2=\frac{p_2}{1-\epsilon^2}=\frac{Gm_1\mu}{2|E|}$$ $$b_2=\frac{p_2}{\sqrt{1-\epsilon^2}}=\frac{N}{m_2}\sqrt{\frac{\mu}{2|E|}}$$ Periódusidő: $$T=\pi Gm_1m_2\sqrt{\frac{\mu}{2|E|^3}}=2\pi\frac{(a_1+a_2)^{3/2}}{\sqrt{G(m_1+m_2)}}$$

Ütközések

tovább fel vissza
bene@arpad.elte.hu