19010

Движение в центральном поле. Финитное и инфинитное движение. Падение на центр

Лекция

Физика

Лекция 8. Движение в центральном поле. Финитное и инфинитное движение. Падение на центр Выберем начло координат в центре поля См. рисунок. В начальный момент времени частица находилась в какото точке имела импульс и следовательно имела относительно центра поля м...

Русский

2013-07-11

828 KB

59 чел.

Лекция 8. Движение в центральном поле. Финитное и инфинитное движение. Падение на центр

Выберем начло координат  в центре поля (См. рисунок). В начальный момент времени  частица находилась в како-то точке , имела импульс  и, следовательно, имела относительно центра поля момент импульса . Как нам уже известно, при движении в ЦС поле сохраняется момент импульса относительно центра поля:

   (1)

Следовательно, в каждый момент времени величины  и . Поэтому из закона сохранения момента импульса сразу следует, что траектория движение частицы в ЦС всегда остается в одной плоскости, перпендикулярной . Но это означает, что рассматриваемая задача имеет две степени свободы: s=2, а общее решение уравнений движения должно содержать четыре произвольные константы.Выберем ось  вдоль вектора , так, что

,       т.е.         (2)

При таком выборе оси  движение частицы будет происходить в плоскости . (см. рисунок).

Используем далее полярные координаты  и . В полярных координатах ф. Лагранжа имеет известный нам вид:

   (3)

Уравнения Лагранжа будут выглядеть так:

;                 (4)

;                   (5)

Поскольку ф. Лагранжа не зависит явно от угла  , то координата  является циклической. Поэтому из уравнения Лагранжа (5) сразу следует, что сохраняется обобщенный импульс:. Как нам известно, величина . Но при нашем выборе осей координат . Поэтому уравнение (5) выражает закон сохранения момента импульса относительно центра поля:

     (6)

Закон сохранения момента при плоском движении допускает наглядную геометрическую интерпретацию. Выражение  есть площадь сектора, образованными двумя бесконечно близкими радиус-векторами с углом  между ними и элементом дуги траектории. Поэтому закон сохранения момента импульса (6) можно записать в виде:

      (7)

Производную  называют секториальной скоростью, а закон сохранения момента импульса иногда называется интегралом площадей: за равные промежутки времени радиус-вектор движущейся точки описывает равные площади (второй закон Кеплера).

Из формулы (6) получаем, что

     (8)

Следовательно, угол  монотонно возрастает со временем, т.е. угловая скорость частицы . Из (8) сразу следует, что наибольшее значение угловая скорость достигает при наименьшем расстоянии частицы от центра поля:

   (9)

Полное решение задачи о движении в ЦС проще всего получить, используя законы сохранения энергии и импульса:

  (10)

Из второго уравнения (10) сразу находим угловую скорость

     (11)

Подставляя (11) в первое уравнение (10) получаем:

    (12)

Здесь  - так называемая «эффективная» потенциальная энергия частицы в ЦС поле:

   (13)

Величину  называют центробежной энергией. Соответствующая её центробежная сила всегда является силой отталкивания:

.                             (14)

Только в тех случаях, когда , величина эффективной потенциальной энергии совпадает с истинной потенциальной энергией частицы:

   (15)

Уравнение (12) для радиального движения частицы формально похоже на одномерное уравнение движение частицы с одной степенью свободы, изученное нами ранее. Однако следует помнить, что в рассматриваемой задаче величина  всегда положительна:  и точка  является центром поля. Кроме того, если , то это не точка остановки, как при истинном одномерном движении, а точка остановки радиального движения. Границы области движения (по расстоянию от центра) определяются условием:

    (16)

Уравнение

    (17)

определяет минимальное  и максимальное  расстояния от частицы до центра поля. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что величины  и  зависят от   и , как от параметров рассматриваемой задачи. Из уравнения (12) сразу находим, что

    (18)

Разделяя переменные, получаем:

 (19)

Формула (19) определяет (в неявном виде) зависимость расстояния от частицы до центра поля в любой момент времени . Переписав уравнение (11) и (18) в виде

,           ,

получаем уравнение траектории:

(20)

Здесь  - начальный азимутальный угол. Формула (20) определяет уравнение траектории  частицы в плоскости  в полярных координатах. Таким образом, формулы (19) и (20) полностью решают задачу о движении частицы  в произвольном ЦС поле . вся сложность решения такого рода задач смещается из плоскости физической в математическую плоскость.

Из уравнения (17) находим точки поворота. Если это уравнение имеет всего один корень , то движение частицы инфинитно: её траектория, начинаясь в точке , пройдет через некоторое время точку наибольшего сближения  и затем уйдет на бесконечность. Если уравнение (17) имеет два корня  и , то движение частицы финитно. В этом случае траектория частицы целиком лежит внутри кольца , ограниченного окружностями  и .

Но это вовсе не означает, что при финитном движении траектория частицы непременно является замкнутой кривой. За время, в течение которого расстояние  изменяется от величины  до  и обратно до  , радиус вектор повернется на угол (согласно формуле (20)) на величину

.                               (21)

Условие замкнутости траектории выражается условием: . Тогда, через  повторений периода времени радиус вектор точки, сделав  полных оборотов, совпадет со своим первоначальным значением, т.е. траектория замкнется. Можно строго показать, что такая ситуация возможна только для двух потенциалов:  (задача Кеплера) и  (пространственный осциллятор).

В заключение этого раздела рассмотрим вопрос о возможности падения частицы на центр поля, когда поле носит характер притяжения.

Сначала рассмотрим простейший случай, когда . Это будет иметь место, когда либо начальная скорость равна нулю (), либо когда вектор  коллениарен вектору . Понятно, что во всех этих случаях движение будет прямолинейным: - это уравнение прямой в полярных координатах.

Если  или , то падение на центр неизбежно. Если же начальная скорость направлена от центра, то возможны два случая:

1. Уравнение  не будет иметь решения при . Тогда частица удалится на бесконечность.

2. Уравнение  будет имеет корень . Тогда траектория частицы будет состоять из двух частей. На первом участке частица будет удаляться от центра до расстояния . В точке  частица, имея нулевую скорость, под действием сил притяжения начнет двигаться в обратную сторону и в конечном итоге упадет на центр поля притяжения.

Наконец рассмотрим вопрос о возможности падения на центр в общем случае, когда . Наличие центробежной энергии, стремящейся при  к  по закону , делает обычно невозможным проникновения частиц к центру поля, даже если это поле притяжения. Теоретически, падение на центр возможно лишь тогда, если  достаточно быстро стремиться к  при . Перепишем условие, определяющее область допустимых расстояний, в виде:

    (22)

Необходимо, чтобы это условие выполнялось вплоть до точки . Полагая в последней формуле , запишем её так:

    (23)

Здесь учтено, что при , величина , независимо от значения полной энергии . Последнее неравенство может выполняться в двух случаях:

1.  Если ,   при     (24)

2.  Если ,     при     (25)

Конечно, полученные ограничения на вид потенциальной энергии, означают только, что при их выполнении падение частицы на центр возможно в принципе, т.е. они являются необходимыми условиями падения на центр поля. Но их выполнение вовсе не означает, что в процессе движения частица достигнет центра поля. Это зависит от начальных условий. Например, начальные условия в любом центральном поле можно выбрать так, чтобы частица вращалась по окружности вокруг центра поля. В этом случае падения на центр поля не будет, даже если установленные выше условия будут выполнены.

4

.

t=0

z

x

    y

r0

P0

O

0

0

r(t)

P(t)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45028. Понятие языка программирования. Классификация языков программирования 29.44 KB
  Классификация языков программирования. И такое средство было найдено: различные символические языки и соответствующие им трансляторы системы программирования. Также система программирования может включать в себя: библиотеки стандартных подпрограмм отладчик компоновщик и другие сервисные средства.
45029. Интерфейс и основные приемы работы c САКК Magister-2000 456 KB
  Задание может содержать как текстовые фрагменты так и объекты статической графики поддерживаемые rtfформатом; задания могут включать следующие типы анализаторов ответа учащегося: выбор одного верного ответа из нескольких предложенных выбор нескольких верных из предложенных слово последовательность символов; задания на установление соответствия двух списков; задания на установления последовательностей действий или событий; задания сохраняются во внутреннем формате исключающем возможность их просмотра с целью выяснения верных...
45030. Интонация как единица фонетического уровня языка 17.03 KB
  Повышения тона вверх вниз называются интонацией. В русском языке можно выделить 6 интонационных конструкций. Основными различительными признаками ИК является направление движения тона в центре и уровень тона в постцентровой части.
45031. Устройства ввода информации 20.71 KB
  Клавиатура устройство представляющее собой набор кнопок клавиш предназначенных для управления каким-либо устройством или для ввода информации. Трекбол указательное устройство ввода информации об относительном перемещении для компьютера. Сканер изображений устройство для считывания двухмерного плоского изображения и представления его в растровой электронной форме. Графи́ческий планше́т это устройство для ввода рисунков от руки непосредственно в компьютер.
45032. Путешествие по Индии 128 KB
  Супер Нам всё нравится 20 Отели Надо отметить что в Индии ни на одной отельной вывеске вы не увидите заветных звезд. Стандартный набор осматриваемых объектов в столице это Ворота Индии Здание Высокого суда Старый Форт и знаменитая мечеть Кутуб Минар с которой и начинается наша экскурсия. И тут перед нами предстала картина которую возможно увидеть пожалуй только в Индии.
45033. Семантика по книге Стивена Пинкера «Язык как инстинкт» 130 KB
  Пинкер известен за его широко охватывающую защиту эволюционной психологии и Вычислительной теории разума. Академическая специализация Пинкера визуальное восприятие и развитие речи у детей и он более известен как популяризатор идеи о том что язык на котором мы говорим является инстинктом или биологической адаптацией сформированной естественным отбором. Этот доклад был написан мною по одной из самых известных книг Стивена Пинкера Язык как инстинкт.
45034. Инженерная подготовка строительной площадки 42.64 KB
  Бетонную смесь готовят бетоносмесителями и транспортируют с помощью системы внутренних транспортных средств до места заливки либо привозят готовую бетонную смесь автобетоносмесителями или самосвалами Технология устройства защитных покрытии Гидро и пароизоляционные работы выполняют по завершению изготовления конструкции или монтажа сборных конструкций. Однако эти работы могут вестись параллельно с некоторым технологически обусловленным отставанием от работ по изготовлению конструкций на которые будет наноситься гидро и пароизоляция. В...
45035. Семантические принципы 29.5 KB
  Принцип предметности: предложение должно говорить о предметах обозначаемых входящими в него именами а не о самих этих именах. Предложение Стул - это существительное построено правильно. Принцип взаимозаменимости: при замене имен с одинаковым значением предложение в котором эта замена осуществляется не должно изменять свое истинностное значение истинное предложение должно оставаться истинным а ложное – ложным. Пусть дано предложение Земля вращается вокруг Солнца.