Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu
 

Na pervuyu stranicu
Fizicheskie osnovy stroeniya i evolyucii zvezd

<< 1.1 Energiya vzaimodeistviya ... | Oglavlenie | 1.3 Sfericheski-simmetrichnye polya tyag... >>

1.2 Vektornoe pole uskorenii, teorema Gaussa, gravitacionnyi potencial, uravnenie Puassona

Vvedem ponyatie vektornogo polya uskorenii $ \vec a$, sozdavaemyh gravitiruyushimi telami. Odna tochechnaya massa $ m$ sozdaet pole uskorenii :

$\displaystyle \vec a=-{\vec r \over r}{Gm \over r^2} \; .
$

Okruzhim massu $ m$ proizvol'noi zamknutoi poverhnost'yu (ris.1) i vychislim potok polya $ \vec a$ cherez poverhnost' $ S$ :

$\displaystyle \int\limits_S \vec a\;$ $\displaystyle \vec {dS} =\int\limits_S a \;\cos\;\theta\;dS=-\int\limits_S
{Gm \over r^2}\;\cos\;\theta\;dS= \cr$ $\displaystyle -\int\limits_S {Gm \; \cos\;\theta\;r^2 \over r^2\cos\;\theta}d \Omega=-4 \pi Gm\,. \cr$  

Zdes' $ \theta$ -- ugol mezhdu $ \vec a$ i normal'yu k poverhnosti $ S$. Vazhno otmetit', chto polnyi potok okazalsya nezavisyashim ot formy poverhnosti.

Esli imeetsya neskol'ko mass $ m_1,\; m_2, \;m_3,\; ...\,,$ to pole $ \vec a$ yavlyaetsya superpoziciei polei $ \vec a_1,\;\vec a_2,\; ...,$ sozdavaemyh etimi massami

$\displaystyle \vec a=\vec a_1+\vec a_2+\vec a_3+\; \ldots
$

\begin{wrapfigure}{r}{0.5\textwidth}
\epsfxsize =0.45\textwidth
\hbox to0.5\textwidth{\hss\epsfbox{fig/f01.ai}}
\end{wrapfigure}
Ris. 1.

Ispol'zuya eto svoistvo gravitacionnogo polya i okruzhaya poverhnost'yu $ S$ neskol'ko mass, legko poluchit'

$\displaystyle \int\limits_S \vec a\; \vec {dS} =-4 \pi GM,
$

gde $ M=m_1+m_2+m_3+...\;.$

Mozhno ubedit'sya, chto massa, raspolozhennaya vne zamknutoi poverhnosti $ S$, ne daet vklada v $ \int\limits_S \vec a\; \vec {dS}$.

Takim obrazom, polnyi potok vektornogo polya $ \vec a$ raven

$\displaystyle \int\limits_S \vec a\; \vec {dS}=-4 \pi G(m_1+m_2+m_3+\;.\;.\;.),
$

prichem v summu vhodyat tol'ko te massy, kotorye lezhat vnutri $ S$. Eto polozhenie nazyvaetsya teoremoi Gaussa.

Primenim teoremu Gaussa k sfericheskomu sloyu. Pust' $ S$ -- sfera radiusa $ r$, lezhashaya vnutri etogo sloya. Togda $ 4 \pi r^2\cdot a=0$, t.k. vnutri $ S$ net mass. Sledovatel'no, vnutri sfericheskogo sloya1.1$ \; a=0$. Okruzhim teper' sfericheski-simmetrichnuyu konfiguraciyu massy $ M$ poverhnost'yu $ S$. Togda $ a \cdot 4 \pi r^2=-4 \pi GM$ i $ a=-GM/r^2$. Itak, sfericheski-simmetrichnaya konfiguraciya sozdaet pole, ekvivalentnoe polyu tochechnoi massy, sosredotochennoi v ee centre.

Dlya malogo ob'ema $ V$ mozhno napisat'

$\displaystyle {1 \over V} \int \vec a\; \vec {dS}=-{4 \pi Gm \over V} \; ,
$

gde integral beretsya po poverhnosti ob'ema $ V$, a $ m$ -- massa, zaklyuchennaya v etom ob'eme. V predele pri $ V\to0$ otnoshenie $ m/V$ est' lokal'naya plotnost' $ \rho $, tak chto poluchim

$\displaystyle \mathop{\rm div}\; \vec a =-4 \pi G \, \rho.
$

Cdelaem sleduyushii shag -- vvedem potencial gravitacionnogo polya soglasno usloviyu:

$\displaystyle \vec a=-\mathop{\rm grad}\, \varphi.
$

Eto vsegda mozhno sdelat', tak kak gravitacionnoe pole konservativno: vsegda $ \oint \vec a\; \vec {dl} $=0, t.e. $ \mathop{\rm rot}\vec a =0$, a eto i oznachaet vozmozhnost' vvedeniya potenciala. Teper' imeem

$\displaystyle \mathop{\rm div}\, \vec a =-\mathop{\rm div}\,\mathop{\rm grad}\, \varphi=- \Delta \varphi=-4 \pi G \, \rho,
$

ili

$\displaystyle \Delta \varphi=4 \pi G \; \rho.
$

My poluchili uravnenie Puassona -- osnovnoe uravnenie teorii potenciala. Differencial'nyi operator $ \mathop{\rm div}\mathop{\rm grad}\equiv \Delta $ nazyvayut laplasianom. V dekartovyh koordinatah

$\displaystyle \Delta \varphi= {\partial^2 \varphi \over \partial x^2}+
{\partial^2 \varphi \over \partial y^2}+{\partial^2 \varphi \over \partial z^2} \; .
$

V sfericheskih koordinatah ( $ r, \; \theta ,\; \alpha $)

$\displaystyle \Delta \varphi={1 \over r^2}{\partial \over \partial r}r^2{\parti...
...1 \over r^2 \sin^2 \;\theta}
{\partial^2 \varphi \over \partial \alpha ^2} \;.
$

Netrudno ponyat', otkuda beretsya takoi vid dlya $ \Delta$. Rassmotrim chlen $ {1 \over r^2}
{\partial \over \partial r}r^2{\partial\varphi\over\partial r}$, kotoryi ostaetsya v uravnenii Puassona dlya sfericheski-simmetrichnoi zadachi. Ochevidno, chto $ 4 \pi r^2
\partial\varphi\over\partial r$ -- eto potok polya uskorenii $ \vec a={\partial\varphi \over\partial r}$ cherez sferu radiusa $ r$. Raznost' potokov $ \vec a$ cherez sfery $ r$ i $ r+ \delta r$ ravna $ 4 \pi\delta r {\partial \over \partial r}r^2{\partial
\varphi\over\partial r}$ , ob'em mezhdu sferami -- $ 4 \pi r^2\delta r$. Razdeliv raznost' potokov $ \vec a$ na ob'em, poluchaem $ \Delta \varphi={1 \over r^2}
{\partial \over \partial r}r^2{\partial\varphi\over\partial r}$. Yasno, chto v zadache s cilindricheskoi simmetriei iz teh zhe soobrazhenii poluchim $ \Delta \varphi={1 \over r}{\partial \over \partial r}r{\partial\varphi\over\partial r}$ ($ r$ -- cilindricheskii radius).

Itak, dlya sfericheski-simmetrichnogo raspredeleniya plotnosti

$\displaystyle {1\over r^2}{d\over dr}r^2 {d\varphi \over dr}=4 \pi G \rho.$ (1.1)



<< 1.1 Energiya vzaimodeistviya ... | Oglavlenie | 1.3 Sfericheski-simmetrichnye polya tyag... >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: Evolyuciya zvezd - vnutrennee stroenie zvezd - termoyadernye reakcii - fizicheskie processy
Publikacii so slovami: Evolyuciya zvezd - vnutrennee stroenie zvezd - termoyadernye reakcii - fizicheskie processy
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >>

Ocenka: 3.0 [golosov: 119]
 
O reitinge
Versiya dlya pechati Raspechatat'

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce


Astronet | Nauchnaya set' | GAISh MGU | Poisk po MGU | O proekte | Avtoram

Kommentarii, voprosy? Pishite: info@astronet.ru ili syuda

Rambler's Top100 Yandeks citirovaniya