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

33514. Метод соцреализма в литературе (идейно-тематическая нормативность, концепция личности) 15.02 KB
  Социалистический реализм художественный метод литературы и искусства представляющий собой эстетическое выражение социалистически осознанной концепции мира и человека обусловленной эпохой борьбы за установление и созидание социалистического общества. Изображение жизни в свете идеалов социализма обусловливает и содержание и основные художественноструктурные принципы искусства соцреализма.Социалистический реализм художественный метод литературы и искусства построенный на социалистической концепции мира и человека. Художник должен был...
33515. Образ Клима Ивановича Самгина 14.95 KB
  В романе нет ни одной сюжетной линии которая не была бы непосредственно связана с Самгиным. Какая бы ситуация ни изображалась в романе автора интересует поведение Самгина в данной ситуации его точка зрения его переживания. Клим Самгин является представителем русской буржуазной интеллигенции конца XIX начала XX века.
33516. Собачье сердце 13.83 KB
  В основу повести лег рискованный эксперимент. Для автора повести это было недопустимым вмешательством в естественный ход вещей последствия которого могли оказаться плачевными для всех в том числе и для самих “экспериментаторовâ€. Одним из главных героев выразителем авторских мыслей в повести становится профессор Преображенский. Новаторство же повести “Собачье сердце†не только в сатирическом и юмористическом мастерстве Булгакова но и в сложной философской концепции этого произведения.
33517. Периодизация русской литературы ХХ века 14.73 KB
  Периодизация русской литературы ХХ века. Принято считать что первый период развития русской литературы ХХ века начинается с 90х годов ХIХ века и заканчивается в 1917 году. С точки зрения собственно литературной как правильно отмечала эмигрантская критика это было прямое продолжение литературы предреволюционной. Но в ней вызревали качественно новые признаки и великий раскол на три ветви литературы произошел в начале 20х.
33518. Белая гвардия 15.21 KB
  Семья Турбиных типичная интеллигентная семья военных где старший брат полковник младший юнкер сестра замужем за полковником Тальбергом. Алексей Турбин на наш теперешний взгляд очень молод: в тридцать уже полковник. Особенно близок Турбин к Рощину из “Хождения по мукамâ€. В пьесе две сцены когда Алексей Турбин проявляется как характер.
33519. Идейно-тематические и художественные особенности лирики Бродского 16.94 KB
  Однако через постижение этих отдельных пространств и их бытия Бродский выводил общие законы. Бродский являет собой историка межвременных коллизий и событий исследуя которые можно понять общее для всей человеческой истории. Это значит что Бродский приверженец в своей основе классицистической поэтики использует в стихотворениях только ту лексику которая максимально отвечает его замыслу. Бродский может изменять по своему желанию устойчивые словоформы отрекается от постоянства метра в одном стихотворении.
33520. Ведущие темы в лирике Есенина 22.6 KB
  Ведущие темы в лирике Есенина. Сложная и интересная судьба поэта множество путешествий смена мест и образа жизни в сочетании с творческим подходом к осмыслению действительности обусловили богатство и разнообразие тем и мотивов лирики Есенина. Время творчества Есенина время крутых поворотов в истории России. Есенина.
33521. Тема революции в поэме С. Есенина «Анна Снегина» 18.29 KB
  Есенина Анна Снегина. Поэма Анна Онегина написанная незадолго до смерти поэта в 1924 году явилась своеобразным обобщением размышлений Есенина об этом драматическом и противоречивом времени и вобрала в себя многие мотивы и образы его лирики. Это ощущение усиливается в поэме тем что на её страницах в качестве олицетворения его юности появляется Анна Снегина – первая любовь девушка в белой накидке которая ласково сказала: Нет Несмотря на былые воспоминания автор прекрасно понимает что прошлое вернуть невозможно:...
33522. Творчество В.Набокова (роман по выбору). Проблематика, конфликты, герои 16.5 KB
  Защита Лужина Роман Защита Лужина привлекает и своим заглавием и своим содержанием писатель неоднократно объяснял его замысел: Русское заглавие этого романа – Защита Лужина – относится к шахматной защите будто бы придуманной моим героем сочинять книгу было нелегко надо был ввести роковое предназначение в жизнь Лужина и придать очертанию сада поездки событиям подобие замысловатой игры а в последних главах – настоящей шахматной атаки разрушающей до основания здоровье моего героя. У Лужина неожиданно счастливая семейная жизнь...