19009

Движение двух взаимодействующих частиц. Приведение к задаче о движении в цен-тральном поле. Общие закономерности движения в центральном поле

Лекция

Физика

Лекция 7. Движение двух взаимодействующих частиц. Приведение к задаче о движении в центральном поле. Общие закономерности движения в центральном поле Полное аналитическое решение в общем виде допускает чрезвычайно важная задача о движении системы из взаимодействую

Русский

2013-07-11

268 KB

10 чел.

Лекция 7. Движение двух взаимодействующих частиц. Приведение к задаче о движении в центральном поле. Общие закономерности движения в центральном поле

Полное аналитическое решение в общем виде допускает чрезвычайно важная задача о движении системы из взаимодействующих друг с другом двух тел массами  и .  Это, так называемая, задача «двух тел».

Проще всего решать эту задачу в системе центра масс (Ц-системе). Однако, для большей наглядности мы начнем её решение в лабораторной системе (Л-системе), переходя затем в Ц-систему. Это позволит нам на языке уравнений Лагранжа наглядно продемонстрировать преимущества Ц -системы.

Рассматриваемая механическая система двух тел система имеет 6 степеней свободы: . Обозначим радиус-вектора частиц  в Л-системе  и  (см. рисунок). Тогда функция Лагранжа  в Л-системе будет иметь вид:

   (1)

Шесть уравнений Лагранжа и двенадцать начальных условий в Л-системе имеют обычный вид:

           (2)

Т.к. система замкнута, что её полный импульс сохраняется:

;      где       (3)

Поскольку потенциальная энергия взаимодействия частиц зависит только от расстояния  между частицами, то с учетом формулы (3), удобно от пары векторных переменных  и  перейти к новым переменным  и  (См. рисунок):

    и         (4)

Из формул (4) находим связь между старыми и новыми переменными:

   (5)

Величина  есть не что иное, как центр инерции системы: . Величина  определяет относительное расположение частиц друг относительно друга.

В Ц -системе, радиус-вектор каждой из частиц   и  будет определяться по формулам:

     (6)

Переход к новым переменным, фактически, представляет движение механической системы из двух тел как движение её как целое (переменная ) и движение каждой из частиц относительно их общего центра инерции (переменные  и ).

Дифференцируя уравнения (5) по времени и подставляя полученные производные в выражение для функции Лагранжа системы (1), получим

  (7)

где введено обозначение

     (9)

Величина  (9) называется приведенной массой двух тел. Функция Лагранжа (7) в новых переменных состоит из двух слагаемых: первое зависит только от величины , причем радиус вектор центра инерции  является циклической переменной. Второе слагаемое зависит только от величин  и , и только в него входит потенциальная энергия взаимодействия . Но это означает, что в новых переменных уравнения Лагранжа для величин  и  будут независимыми – закон относительного движения частиц  никак не связан с движением центра инерции системы .

Из формулы (7) получаем уравнения Лагранжа системы двух тел

    (10)

Уравнения (10) означают, что, во-первых, центр инерции системы движется равномерно и прямолинейно, а, во вторых, относительное движение тел таково, каким было бы движение тела с приведенной массой в потенциале .

Таким образом, для того чтобы определить положение каждой из двух частиц, как в Л-системе, так и в Ц-системе, остается определить зависимость от времени только их относительного движения, т.е. величины .

Таким образом, переход в Ц – системе позволяет задачу с шестью степенями свободы, свести к более простой задаче с тремя степенями свободы. Поэтому следующий шаг состоит в том, чтобы получить уравнение непосредственно для величины . Поэтому становится актуальной проблема изучения движения одной м. точки в заданном внешнем Ц.С. поле . Эта задача в общем виде будет рассматриваться в следующей лекции; сейчас же в связи со вторым уравнением (10) рассмотрим вопрос о силах, которые действуют на частицу в центрально-симметричном поле.

Если потенциальная энергия частицы  зависит только от расстояния  до определенной неподвижной точки, которая называется центром поля, то на частицу со стороны поля действует сила

   (11)

Эта сила по абсолютной величине зависит только от расстояния до центра поля  и направлена в каждой точке  коллинеарною радиус-вектору .  Если , то в данной точке это сила отталкивания . Если , то в данной точке это сила притяжения . Важнейшими ЦС полями являются: гравитационное поле двух точечных масс  (закон всемирного тяготения Ньютона) и электростатическое поле двух точечных зарядов  (закон Кулона):

;           .

;           .

Гравитационное поле может быть только полем притяжения . Кулоновское поле может быть как полем притяжения  так и полем отталкивания , причем первый случай реализуется при разноименных зарядах движущейся частицы и центра поля, второй – в случае, когда эти заряды одноименные.

3


r
(t)

Vц(t)

Vц

O

.

.

Rц

m1

.

m1

 m2

.

Ц

r

r1ц

r1

r2

m2

.

r(t)

Ц

Л


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80874. Структура органов местного самоуправления: состав, полномочия 48.43 KB
  В субъектах РФ в городах федерального значения Москве и Санкт-Петербурге в соответствии с уставами и законами соответствующих субъектов РФ могут не создаваться выборные городские органы местного самоуправления; 2 другие органы образуемые в соответствии с уставами муниципальных образований структура органов местного самоуправления определяется населением самостоятельно. Образование органов местного...
80875. Организация аттестации муниципальных служащих 42.43 KB
  Порядок проведения аттестации Порядок проведения аттестации муниципальных служащих определяется путем принятия положения о проведении аттестации муниципальных служащих каждым муниципальным образованием в соответствии с Типовым положением о проведении аттестации муниципальных служащих. Для проведения аттестации на каждого муниципального служащего готовятся аттестационный лист муниципального служащего и отзыв об исполнении подлежащим аттестации муниципальным служащим должностных обязанностей за аттестационный период. Отзыв представляется не...
80876. Муниципальное образование как объект управления 43.36 KB
  Федеральный закон №131 Об общих принципах организации МСУ в РФ: МО – это городское или сельское поселение муниципальный район городской округ либо внутригородская территория города федерального значения. Сельское поселение один или несколько объединенных общей территорией сельских населенных пунктов поселков сел станиц деревень хуторов кишлаков аулов и других сельских населенных пунктов в которых МСУ осуществляется населением непосредственно и или через выборные и иные органы МСУ; Городское поселение город или поселок в...
80878. Муниципальное управление общественной безопасностью 45.48 KB
  В систему общественной безопасности на территории муниципального образования входят направления деятельности: 123 Каждое из них обеспечивает предоставление населению определенной общественной услуги по месту проживания и передвижения. Основным субъектом обеспечения общественной безопасности на муниципальных территориях является государство осуществляющее свои функции в данной области через органы законодательной исполнительной и судебной власти. На поселения возложены участие в предупреждении и ликвидации чрезвычайных ситуаций в его...
80879. Муниципальное управление жилищно-коммунальным комплексом 45.34 KB
  В состав ЖКК входят три основных блока:=жилищное хозяйство т. Государственная политика реформирования ЖКК. Основные направления реформирования ЖКК: Финансовое оздоровление предприятий ЖКК Передача распоряжения бюджетными средствами на дотирование отрасли от предприятий к жителям осуществляется в комплексе с мерами социальной защиты малоимущих граждан. Вместо дотирования предприятий ЖКК вводятся адресные жилищные субсидии зачисляемые на персонифицированные счета граждан.
80880. Основы государственной и муниципальной социальной политики 46.75 KB
  Одной из главных задач органов местного самоуправления является формирование и реализация муниципальной социальной политики. Муниципальная социальная политика это система целей задач и механизмов их реализации направленных на обеспечение населения социальными услугами на содержание и развитие социальной сферы муниципального образования.соцполитику реализуются как собственные полномочия МС так и переданные на муниципальный уровень государственные полномочия в социальной сфере.
80881. Муниципальное регулирование занятости и трудовых отношений 45.99 KB
  Проблема муниципального регулирования занятости населения. Сложность муниципального регулирования вопросов занятости состоит в том что основное правовое регулирование этих вопросов относится к сфере федерального и регионального законодательства и реализуется через территориальные структуры федеральной службы занятости. Государственная политика и разграничение полномочий в сфере занятости.
80882. Муниципальная жилищная политика 45.91 KB
  Отсутствие жилья и плохие жилищные условия одна из главных причин снижения рождаемости семейных конфликтов детской беспризорности. в которой указаны основные задачи в области обеспечения доступности жилья и жилищного строительства разграничены функции федерального центра регионов и муниципалитетов в жилищной сфере. С начала перехода к рыночным отношениям основная часть государственного жилья в нашей стране была передана в муниципальную собственность включая ведомственный жилищный фонд передававшийся в процессе приватизации...