Теория относительности. Учебное пособие. Розман Г.А. - 97 стр.

UptoLike

Составители: 

Рубрика: 

190
191
ïîëå ñîîáùàåò ïîñòîÿííîå óñêîðåíèå òîëüêî â òîì ñëó÷àå, åñëè
îíî îäíîðîäíî è ïîñòîÿííî, èëè ìû ðàññìàòðèâàåì ïîëå â ìàëîì
îáúåìå).
Ïîëó÷åííûé ðåçóëüòàò ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü òàê: âî
âðàùàþùåéñÿ ÑÎ âîçíèêàþò ãðàâèòàöèîííûå ïîëÿ äâóõ òèïîâ,
îáóñëîâëåííûå âðàùåíèåì ýòîé ÍÑÎ. Ýòè ãðàâèòàöèîííûå
ïîëÿ ïî-ðàçíîìó íàïðàâëåíû è ïî-ðàçíîìó èçìåíÿþòñÿ âî
âðàùàþùåéñÿ ÑÎ. Öåíòðîáåæíîå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå
íàïðàâëåíî ïî ðàäèóñó âðàùåíèÿ îò îñè âðàùåíèÿ è âîçðàñòàåò
ñ óâåëè÷åíèåì
r
r
, ýòî ïîëå íåîäíîðîäíî. Êîðèîëèñîâî
ãðàâèòàöèîííîå ïîëå äåéñòâóåò òîëüêî íà äâèæóùèåñÿ â ÍÑÎ
òåëà è îïðåäåëÿåòñÿ íå ïîëîæåíèåì â ïðîñòðàíñòâå, à ñêîðîñòüþ
äâèæåíèÿ òåëà (è óãëîâîé ñêîðîñòüþ âðàùåíèÿ ÍÑÎ), åãî
íàïðàâëåíèå çàâèñèò è îò íàïðàâëåíèÿ ñêîðîñòè äâèæåíèÿ òåëà
v
r
, è îò íàïðàâëåíèÿ âåêòîðà óãëîâîé ñêîðîñòè
ω
r
.
Ìû ðàññìîòðåëè ïðîÿâëåíèå ãðàâèòàöèîííûõ ïîëåé ïðè
ïîñòóïàòåëüíîì è âðàùàòåëüíîì äâèæåíèÿõ ÍÑÎ, íî ëþáîå
ñëîæíîå äâèæåíèå òåëà âñåãäà ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ñóïåð-
ïîçèöèè ïîñòóïàòåëüíîãî è âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèé. Ïîýòîìó
ïðîèçâîëüíîå äâèæåíèå ÍÑÎ ìîæíî ñîïîñòàâèòü ñ ýêâèâàëåíò-
íûìè (â îáùåì ñëó÷àå ïåðåìåííûìè) ãðàâèòàöèîííûìè ïîëÿìè.
 ñâÿçè ñ ýòèìè ðàññóæäåíèÿìè ïðèíöèï ýêâèâàëåíòíîñòè
ìîæíî îáîáùèòü òàê:
îïèñàíèå ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé â ïðîèçâîëüíî äâèæóùåéñÿ ÑÎ
ïðè îòñóòñòâèè ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ ÝÊÂÈÂÀËÅÍÒÍÎ
îïèñàíèþ èõ â ÈÑÎ, íàõîäÿùåéñÿ â íåêîòîðîì îáùåì ñëó÷àå
ïåðåìåííîì è íåîäíîðîäíîì ãðàâèòàöèîííîì ïîëå.
§7. Ãåîìåòðèÿ è ãðàâèòàöèÿ
Ïîâòîðèì åùå ðàç âûâîä, ê êîòîðîìó ìû ïðèøëè â
ïðåäûäóùåì ïàðàãðàôå, óñòàíîâèâ ýêâèâàëåíòíîñòü ñîñòîÿíèé â
óñêîðåííî äâèæóùåéñÿ ÑÎ ïðè îòñóòñòâèè ïîëÿ òÿãîòåíèÿ è â
ÈÑÎ ïðè íàëè÷èè ïîëÿ òÿãîòåíèÿ.  îáùåì ñëó÷àå è óñêîðåííîå
äâèæåíèå ìîæåò áûòü ïðîèçâîëüíûì, ñîîòâåòñòâåííî è
ãðàâèòàöèîííîå ïîëå ìîæåò áûòü ñëîæíîé êîíôèãóðàöèè.
.
;2
;2
2
2
zz
xyy
yxx
WmF
ymvmWmF
xmvmWmF
=
+
=
=
ωω
ωω
(6.13)
èëè â âåêòîðíîé çàïèñè çàêîí äâèæåíèÿ ïðèíèìàåò âèä:
[]
,2
2
ωω
r
rr
rr
vmrmWmF
=
(6.14)
ãäå
ω
r
- âåêòîð óãëîâîé ñêîðîñòè, íàïðàâëåííûé âäîëü îñè 0z,
[]
ω
r
r
v
-êðàòêàÿ çàïèñü òàê íàçûâàåìîãî âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ,
â íàøåì ñëó÷àå âðàùåíèÿ âîêðóã îñè 0zîíî ðàâíî
[]
.,
ωωωωω
=
=
zzxzy
vjviv
rr
r
r
 ÷àñòíîì ñëó÷àå, êîãäà F = 0, ïîëó÷àåì:
[]
.2
2
ωω
r
rr
r
vrW
+=
(6.15)
Ïåðâîå ñëàãàåìîå íîñèò íàçâàíèå öåíòðîáåæíîãî óñêîðåíèÿ
(îíî íàïðàâëåíî ïî ðàäèóñó îò îñè âðàùåíèÿ). Âî âðàùàþùåéñÿ
ÑÎ öåíòðîáåæíîå óñêîðåíèå îòëè÷íî îò íóëÿ íåçàâèñèìî îò òîãî,
ïîêîèòñÿ èëè äâèæåòñÿ òåëî â ýòîé ÍÑÎ.
Èíà÷å èçìåíÿåòñÿ âòîðîå ñëàãàåìîå, îíî îòëè÷íî îò íóëÿ âî
âðàùàþùåéñÿ ÑÎ òîëüêî â òîì ñëó÷àå, åñëè òåëî äâèæåòñÿ â ýòîé
ÑÎ, íî íå ïàðàëëåëüíî îñè âðàùåíèÿ (èíà÷å âåêòîðíîå
ïðîèçâåäåíèå =0, äàæå ïðè
0
v
r
è
0
ω
r
, ò.ê. sin
)(
ω
r
r
v
= 0). Ýòà
ñîñòàâëÿþùàÿ óñêîðåíèÿ W ïîëó÷èëà íàçâàíèå êîðèîëèñîâî
óñêîðåíèå â ÷åñòü ó÷åíîãî, êîòîðûé ââåë ýòî óñêîðåíèå.
Òàêèì îáðàçîì, âî âðàùàþùåéñÿ ÑÎ L  óñêîðåíèå
ñîçäàåòñÿ ñîâìåñòíûì äåéñòâèåì íüþòîíîâñêîé,
öåíòðîáåæíîé è êîðèîëèñîâîé ñèë:
WmFFF
k
öá
=++
rr
(6.16)
Âàæíî îòìåòèòü, ÷òî âñå óïîìÿíóòûå ñèëû
ïðîïîðöèîíàëüíû ìàññàì òåë, à ïîòîìó îíè ñîîáùàþò âñåì òåëàì
îäíî è òî æå óñêîðåíèå. Ñ íàøåé òî÷êè çðåíèÿ, îíè ïîäîáíû
ãðàâèòàöèîííûì ñèëàì, êîòîðûå òàêæå ñîîáùàþò âñåì òåëàì
îäíî è òî æå óñêîðåíèå (êîíå÷íî, â êàæäîì ñëó÷àå ñâîå),
íåçàâèñèìî îò âåëè÷èí ìàññ òåë (ìû çíàåì, ÷òî ãðàâèòàöèîííîå
                                                                                    ïîëå ñîîáùàåò ïîñòîÿííîå óñêîðåíèå òîëüêî â òîì ñëó÷àå, åñëè
                  Fx′′ = mWx′′ − 2m ω v′y ′ − m ω 2 x′;                             îíî îäíîðîäíî è ïîñòîÿííî, èëè ìû ðàññìàòðèâàåì ïîëå â ìàëîì
                  Fy′′ = mWy′′ + 2m ω v′x ′ − m ω 2 y ′;                   (6.13)   îáúåìå).
                  Fz′′ = mWz′′ .                                                          Ïîëó÷åííûé ðåçóëüòàò ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü òàê: âî
                                                                                    âðàùàþùåéñÿ ÑÎ âîçíèêàþò “ãðàâèòàöèîííûå ïîëÿ” äâóõ òèïîâ,
èëè â âåêòîðíîé çàïèñè çàêîí äâèæåíèÿ ïðèíèìàåò âèä:                                îáóñëîâëåííûå âðàùåíèåì ýòîé ÍÑÎ. Ýòè “ãðàâèòàöèîííûå
                  r      r          r      r r
                  F ′ = mW ′ − mω 2 r − 2m[v′ω ],                          (6.14)   ïîëÿ” ïî-ðàçíîìó íàïðàâëåíû è ïî-ðàçíîìó èçìåíÿþòñÿ âî
          r
ãäå ω - âåêòîð óãëîâîé ñêîðîñòè, íàïðàâëåííûé âäîëü îñè 0z’,                        âðàùàþùåéñÿ ÑÎ. “Öåíòðîáåæíîå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå”
                                                                                    íàïðàâëåíî ïî ðàäèóñó âðàùåíèÿ îò îñè âðàùåíèÿ è âîçðàñòàåò
[vr′ωr ] -êðàòêàÿ çàïèñü òàê íàçûâàåìîãî âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ,                                      r
                                                                                    ñ óâåëè÷åíèåì r , ýòî ïîëå íåîäíîðîäíî. “Êîðèîëèñîâî
â íàøåì ñëó÷àå âðàùåíèÿ âîêðóã îñè 0z’îíî ðàâíî
                               r              r                                     ãðàâèòàöèîííîå ïîëå” äåéñòâóåò òîëüêî íà äâèæóùèåñÿ â ÍÑÎ
                   [vr′ωr ] = i v′y ′ω z ′ − j v′x ′ω z ′ ,   ω z′ = ω .            òåëà è îïðåäåëÿåòñÿ íå ïîëîæåíèåì â ïðîñòðàíñòâå, à ñêîðîñòüþ
       ÷àñòíîì ñëó÷àå, êîãäà F’ = 0, ïîëó÷àåì:                                     äâèæåíèÿ òåëà (è óãëîâîé ñêîðîñòüþ âðàùåíèÿ ÍÑÎ), åãî
                  r         r     r r                                               íàïðàâëåíèå çàâèñèò è îò íàïðàâëåíèÿ ñêîðîñòè äâèæåíèÿ òåëà
                  W ′ = ω 2 r + 2[v′ω ].                     (6.15)                  r                                               r
     Ïåðâîå ñëàãàåìîå íîñèò íàçâàíèå öåíòðîáåæíîãî óñêîðåíèÿ                        v′ , è îò íàïðàâëåíèÿ âåêòîðà óãëîâîé ñêîðîñòè ω .
(îíî íàïðàâëåíî ïî ðàäèóñó îò îñè âðàùåíèÿ). Âî âðàùàþùåéñÿ                               Ìû ðàññìîòðåëè ïðîÿâëåíèå “ãðàâèòàöèîííûõ ïîëåé” ïðè
ÑÎ öåíòðîáåæíîå óñêîðåíèå îòëè÷íî îò íóëÿ íåçàâèñèìî îò òîãî,                       ïîñòóïàòåëüíîì è âðàùàòåëüíîì äâèæåíèÿõ ÍÑÎ, íî ëþáîå
ïîêîèòñÿ èëè äâèæåòñÿ òåëî â ýòîé ÍÑÎ.                                              ñëîæíîå äâèæåíèå òåëà âñåãäà ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ñóïåð-
     Èíà÷å èçìåíÿåòñÿ âòîðîå ñëàãàåìîå, îíî îòëè÷íî îò íóëÿ âî                      ïîçèöèè ïîñòóïàòåëüíîãî è âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèé. Ïîýòîìó
âðàùàþùåéñÿ ÑÎ òîëüêî â òîì ñëó÷àå, åñëè òåëî äâèæåòñÿ â ýòîé                       ïðîèçâîëüíîå äâèæåíèå ÍÑÎ ìîæíî ñîïîñòàâèòü ñ ýêâèâàëåíò-
ÑÎ, íî íå ïàðàëëåëüíî îñè âðàùåíèÿ (èíà÷å âåêòîðíîå                                 íûìè (â îáùåì ñëó÷àå ïåðåìåííûìè) ãðàâèòàöèîííûìè ïîëÿìè.
                            r      r                  rr                                  Â ñâÿçè ñ ýòèìè ðàññóæäåíèÿìè ïðèíöèï ýêâèâàëåíòíîñòè
ïðîèçâåäåíèå =0, äàæå ïðè v′ ≠ 0 è ω ≠ 0 , ò.ê. sin ( v ω ) = 0). Ýòà
                                                                                    ìîæíî îáîáùèòü òàê:
ñîñòàâëÿþùàÿ óñêîðåíèÿ W’ ïîëó÷èëà íàçâàíèå “êîðèîëèñîâî                                  îïèñàíèå ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé â ïðîèçâîëüíî äâèæóùåéñÿ ÑÎ
óñêîðåíèå” â ÷åñòü ó÷åíîãî, êîòîðûé ââåë ýòî óñêîðåíèå.                             ïðè îòñóòñòâèè ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ ÝÊÂÈÂÀËÅÍÒÍÎ
     Òàêèì îáðàçîì, âî âðàùàþùåéñÿ ÑÎ “L’ ” óñêîðåíèå                               îïèñàíèþ èõ â ÈÑÎ, íàõîäÿùåéñÿ â íåêîòîðîì îáùåì ñëó÷àå
ñîçäàåòñÿ    ñîâìåñòíûì       äåéñòâèåì        “íüþòîíîâñêîé”,                      ïåðåìåííîì è íåîäíîðîäíîì ãðàâèòàöèîííîì ïîëå.
“öåíòðîáåæíîé” è “êîðèîëèñîâîé” ñèë:
                             r r
                             F + Föá + Fk = mW ′                           (6.16)                    §7. Ãåîìåòðèÿ è ãðàâèòàöèÿ
     Âàæíî îòìåòèòü, ÷òî âñå óïîìÿíóòûå ñèëû
ïðîïîðöèîíàëüíû ìàññàì òåë, à ïîòîìó îíè ñîîáùàþò âñåì òåëàì                            Ïîâòîðèì åùå ðàç âûâîä, ê êîòîðîìó ìû ïðèøëè â
îäíî è òî æå óñêîðåíèå. Ñ íàøåé òî÷êè çðåíèÿ, îíè ïîäîáíû                           ïðåäûäóùåì ïàðàãðàôå, óñòàíîâèâ ýêâèâàëåíòíîñòü ñîñòîÿíèé â
ãðàâèòàöèîííûì ñèëàì, êîòîðûå òàêæå ñîîáùàþò âñåì òåëàì                             óñêîðåííî äâèæóùåéñÿ ÑÎ ïðè îòñóòñòâèè ïîëÿ òÿãîòåíèÿ è â
îäíî è òî æå óñêîðåíèå (êîíå÷íî, â êàæäîì ñëó÷àå ñâîå),                             ÈÑÎ ïðè íàëè÷èè ïîëÿ òÿãîòåíèÿ.  îáùåì ñëó÷àå è óñêîðåííîå
íåçàâèñèìî îò âåëè÷èí ìàññ òåë (ìû çíàåì, ÷òî ãðàâèòàöèîííîå                        äâèæåíèå ìîæåò áûòü ïðîèçâîëüíûì, ñîîòâåòñòâåííî è
                                                                                    ãðàâèòàöèîííîå ïîëå ìîæåò áûòü ñëîæíîé êîíôèãóðàöèè.
190                                                                                                                                           191