tovább fel vissza

Elméleti fizika I.

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



Egy pontjában rögzített súlyos szimmetrikus pörgettyű mozgása (folytatás)
Megmaradó mennyiségek: $N_z$, $N_3$, $E$.
$$E'=\frac{1}{2}{\Theta}_1'\dot{\vartheta}^2+\underbrace{\frac{\left(N_z-N_3\cos\vartheta\right)^2}{2{\Theta}_1'\sin^2\vartheta}+mgl\cos\vartheta}_{V_{eff}(\vartheta)}$$
$\begin{eqnarray} {\Theta}_1'\ddot{\vartheta}&=& -\frac{\partial V_{eff}}{\partial\vartheta}=-N_3\frac{N_z-N_3\cos\vartheta}{{\Theta}_1'\sin\vartheta}+\frac{\left(N_z-N_3\cos\vartheta\right)^2\cos\vartheta}{{\Theta}_1'\sin^3\vartheta }+mgl\sin\vartheta\;,\\ \dot{\varphi}&=& \frac{N_z-N_3\cos\vartheta}{{\Theta}_1'\sin^2\vartheta}\;,\\ \dot{\psi}&=& \frac{N_3}{{\Theta}_3}-\frac{N_z-N_3\cos\vartheta}{{\Theta}_1'\sin^2\vartheta}\cos\vartheta\;, \end{eqnarray}$
ahol $$E'=E-\frac{N_3^2}{2{\Theta}_3}\;,$$ $${\Theta}_1'={\Theta}_1+ml^2\;.$$ Az $x_3$ szimmetriatengely irányát meghatározó térbeli polárszögek $\vartheta$ és $\varphi-\pi/2$.
Súlyos szimmetrikus pörgettyű mozgása (Java-animáció)
Biciklikerék (súlyos pörgettyű)
Giroszkóp
Szimmetrikus pörgettyű tengelye az erőre merőlegesen fordul el.
Mikor stabil a függőleges szimmetriatengelyű forgás?
Természetesen akkor, ha a $V_{eff}(\vartheta)$ effektív potenciálnak lokális minimuma van $\vartheta=0$-ban. A $\vartheta=0$ esetben $N_z=N_3=N$, így $\vartheta\ll 1$ esetén
$ \begin{eqnarray} V_{eff}(\vartheta)&=& \frac{N^2}{2{ \Theta}_1'}\frac{\left(1-\cos\vartheta\right)^2}{\sin^2\vartheta}+mgl\cos\vartheta=\frac{N^2}{2{ \Theta}_1'}\frac{4\sin^2\left(\frac{\vartheta}{2}\right)}{4\sin^2\left(\frac{\vartheta}{2}\right)\cos^2\left(\frac{\vartheta}{2}\right)}+mgl\cos\vartheta=\frac{N^2}{2{ \Theta}_1'}\frac{1}{\cos^2\left(\frac{\vartheta}{2}\right)}+mgl\cos\vartheta\\ &\approx&\frac{N^2}{2{ \Theta}_1'}\frac{1}{\left(1-\frac{\vartheta^2}{8}\right)^2}+mgl\left(1-\frac{\vartheta^2}{2}\right)\approx \frac{N^2}{2{ \Theta}_1'}+mgl +\frac{1}{2}mgl\vartheta^2\left(\frac{N^2}{4{ \Theta}_1'mgl}-1\right) \end{eqnarray} $
A minimum feltétele tehát $$\frac{N^2}{4{\Theta}_1'mgl}>1$$ vagy másképp $$\frac{{\Theta}_3^2\omega^2}{4\left({\Theta}_1+ml^2\right)mgl}>1$$ ill. $$\omega>2\sqrt{\frac{\left({\Theta}_1+ml^2\right)ml^2}{{\Theta}_3^2}}\sqrt{\frac{g}{l}}$$
Fizikai inga

$$N_z=N_3=0\;\Rightarrow\;\dot{\varphi}=\dot{\psi}=0$$ $$L=\frac{1}{2}\left({\Theta}_1+ml^2\right)\dot{\vartheta}^2-mgl\cos\vartheta$$ $$E=\frac{1}{2}\left({\Theta}_1+ml^2\right)\dot{\vartheta}^2+mgl\cos\vartheta$$

Súlyos szimmetrikus pörgettyű precessziója: alkalmazás a Föld forgására
A forgatónyomaték eredete: árapálykeltő erők hatnak a nem tökéletesen gömbszimmetrikus Földre.
Vizsgáljuk a Hold-Föld rendszert. Az égitestek pályáját körnek tekintjük.
A Föld egy $dm$ tömegelemére ható eredő erő: $$d{\bf F}=-G\frac{m_{Hold}dm}{|{\bf r}-{\bf R}|^3}({\bf r}-{\bf R})\approx -G\frac{m_{Hold}dm}{R^3}\left({\bf r}-{\bf R}+3{\bf n}({\bf r}\cdot{\bf n})\right)$$ Itt $\bf R$ a Föld középpontjából a Hold középpontjába mutató helyvektor, $\bf r$ a $dm$ tömegelem helyvektora a Föld középpontjától mérve, valamint $${\bf n}=\frac{{\bf R}}{R}$$
A közös tömegközéppont körüli körmozgásból: $$\left(\frac{2\pi}{T_{hó}}\right)^2=G\frac{m_{Hold}+m_{Föld}}{R^3}$$ következik. Ezzel
$\begin{eqnarray} d{\bf F}&=& -dm \left(\frac{2\pi}{T_{hó}}\right)^2\frac{m_{Hold}}{m_{Hold}+m_{Föld}} \left({\bf r}-{\bf R}+3{\bf n}({\bf r}\cdot{\bf n})\right) \end{eqnarray}$
Ennek a Föld tömegközéppontjára vonatkozó forgatónyomatéka $$d{\bf M}={\bf r}\times d{\bf F}=dm \left(\frac{2\pi}{T_{hó}}\right)^2\frac{m_{Hold}}{m_{Hold}+m_{Föld}} \left({\bf r}\times{\bf R}+3({\bf r}\cdot{\bf n})({\bf n}\times{\bf r})\right)$$ A Föld térfogatára integrálva kapjuk a teljes forgatónyomatékot. A Földet homogén forgási ellipszoidnak tekintjük, az egyenlítői sugár $a=6378\;km$, a sarki féltengely hossza $b=6357\; km$. $$\int dV {\bf r}{\bf r}^T=\frac{1}{5}V\left(a^2({\bf e}_1{\bf e}_1^T+{\bf e}_2{\bf e}_2^T)+b^2{\bf e}_3{\bf e}_3^T\right)$$ Itt $\bf e_3$ a Föld tengelye (egységvektor), az $\bf e_1$, $\bf e_2$ egységvektor két erre merőleges irány.
A mozgás során az $\bf n$ irány a teljes impulzusmomentum változásához képest gyors egyenletes körmozgást végez, ezért a forgatónyomatékot a főtengelyek változatlan helyzete mellett egy teljes keringésre átlagoljuk. Eredmény:
$\begin{eqnarray} {\bf M}&=& \frac{1}{5}m_{Föld}\left(\frac{2\pi}{T_{hó}}\right)^2\frac{m_{Hold}}{m_{Hold}+m_{Föld}}\frac{3}{2} \left[ a^2({\bf e}_1\cdot{\bf e}_z)({\bf e}_z\times{\bf e}_1) +a^2({\bf e}_2\cdot{\bf e}_z)({\bf e}_z\times{\bf e}_2) +b^2({\bf e}_3\cdot{\bf e}_z)({\bf e}_z\times{\bf e}_3) \right] \end{eqnarray}$
Ez azt jelenti, hogy az egy keringési időre átlagolt forgatónyomaték a keringés síkjával párhuzamos, a Föld tengelyére merőleges, nagysága pedig $$|{\bf M}|=\frac{3}{2}\frac{m_{Hold}}{m_{Hold}+m_{Föld}}\left(\frac{2\pi}{T_{hó}}\right)^2\frac{1}{5}m_{Föld}(a^2-b^2)\sin\beta\cos\beta$$ ahol $\beta=23,4^\circ$ a Föld tengelyének a keringés síkjának normálisával bezárt szöge. (Ténylegesen a Hold keringési síkja kis szöget zár be az ekliptikával, ezt itt elhanyagoljuk.) A Nap járuléka ugyanilyen irányú, $m_{Hold}\;\rightarrow\;m_{Nap}$ és $T_{hó}\;\rightarrow\;T_{év}$ helyettesítéssel kapható meg. Az együttes forgatónyomaték nagysága $$|{\bf M}|=\frac{3}{2}\left(\frac{m_{Hold}}{m_{Hold}+m_{Föld}}\left(\frac{2\pi}{T_{hó}}\right)^2+\frac{m_{Nap}}{m_{Nap}+m_{Föld}}\left(\frac{2\pi}{T_{év}}\right)^2\right)\frac{1}{5}m_{Föld}(a^2-b^2)\sin\beta\cos\beta$$
A precesszió periódusideje: $$T_{pr}|{\bf M}|=2\pi { \Theta}_3\omega_3 \sin\beta$$ Itt $$\omega_3=\frac{2\pi}{T_{nap}}$$ és $$\Theta_3=\frac{2}{5}m_{Föld}a^2$$ Ezzel
$ \begin{eqnarray} T_{pr}&=& \frac{2}{3}\frac{1}{\cos\beta}\frac{a}{a-b}\frac{1}{T_{nap}\left(\frac{m_{Hold}}{m_{Hold}+m_{Föld}}\left(\frac{1}{T_{hó}}\right)^2+\frac{m_{Nap}}{m_{Nap}+m_{Föld}}\left(\frac{1}{T_{év}}\right)^2\right)}\\ &\approx & \frac{2}{3}\frac{1}{\cos\beta}\frac{a}{a-b}\frac{T_{év}}{T_{nap}}\frac{1}{1+\frac{m_{Hold}}{m_{Föld}}\left(\frac{T_{év}}{T_{hó}}\right)^2}T_{év}=28500\;év \end{eqnarray}$
A pontosabb érték 25900 év.
tovább fel vissza
bene@arpad.elte.hu