5.1. Pola centralne
Definicja 5.1
Polem centralnym w R3 nazwiemy pole wektorowe F na Rn\0 o postaci
gdzie f:R+→R jest funkcją ciągłą a |x|=<x,x>12.
Pole (5.1) jest zawsze potencjalne z potencjałem Vx=gx gdzie g jest funkcją pierwotną f. (Porównaj dowód Swierdzenia 4.3.).
Definicja 5.2
Grupą ortogonalną On,R nazwiemy grupę przekształceń liniowych, scharakteryzowanych warunkiem: A∈On,R wtedy i tylko wtedy, kiedy
|
Ax,Ay=x,ydlax,y∈Rn |
| (5.2) |
Warunek ten jest równoważny warunkowi podającemu opis macierzy przekształceń liniowych tworzących O(n,R): A∈On,R wtedy i tylko wtedy, kiedy macierz A tego przekształcenia względem dowolnej bazy ortonormalnej spełnia warunek
gdzie At oznacza macież transponowaną do A.
Stwierdzenie 5.1
Pole centralne (5.1) jest niezmiennicze dla naturalnego działania w Rn\0 grupy przekształceń ortogonalnych On,R. Oznacza to, że dla każdego
A∈On,R oraz dla każdego x∈Rn0 zachodzi
Dla przekształcenia liniowego B jego różniczka w dowolnym punkcie jest równa B. Zatem z (5.1) dla A∈On,R oraz x∈Rn wynika
|
F(A(x)))=f(|A(x)|)AxAx=fxxA(x)=A(F(x))=(dxA)(F(x)) |
|
Wykorzystaliśmy tu równość Ax=x wynikającą z (5.2).
∎
Stwierdzenie 5.2
Dla pola centralnego w R3 moment pędu M jest całką pierwszą.
Niech R∋t→xt∈R3\0 będzie ruchem punktu o masie m pod działaniem centralnej siły F. Niech [⋅,⋅] oznacza iloczyn wektorowy w R3. Wtedy
|
ddtMt=ddtxt,mx˙t=x˙t,mx˙t+xt,mx¨t=xt,Fxt=0 |
|
bo wektor Fxt jest proporcjonalny do xt.
∎
Wniosek 5.1
Ruch w polu centralnym w R3 jest płaski. Dokładniej:
(A) Jeżeli x0,mx˙0=M0≠0 to ruch odbywa się w płaszczyźnie.
którą też można opisać jako płaszczyznę rozpinaną przez x0 oraz x˙0.
(B) Jeżeli M0=0 to ruch odbywa się po prostej zawierającej 0 oraz x0.
(A) Ze stałości Mt wynika, że xt,mx˙t=M0. Zatem xt⟂M0 dla każdego t. Ponadto x0 i x˙0 należą do N i nie są współliniowe.
(B) Jeżeli M0=Mt=0 to x˙(t)||x(t) czyli
gdzie funkcja a:R→R jest różniczkowalna ( bo t→xt) jest dwukrotnie różniczkowalna). Niech b:R→R+ będzie funkcją różniczkowalną. Wtedy funkcja wektorowa yt=btx0 spełnia warunek
|
y˙t=b˙tbtyt=ddtlnbt⋅yt, |
|
który dla b0t=e∫1tasds przechodzi na (5.6). Z twierdzenia o jednoznaczności mamy więc
∎
Wniosek 5.2
Niech F będzie polem centralnym w R3, a V podprzestrzenią w R3, rozpiętą przez dwie pierwsze osie współrzędnych.
Każdą trajektorię ruchu w polu F można uzyskać jako obraz pewnej trajektorii tego pola, leżącej w V, za pomocą pewnego przekształcenia A∈O3R.
Niech
będzie krzywą ruchu dla pola F.
Rozpatrzmy przypadek kiedy
Przypadek M0=0 zostawimy jako zadanie czytelnikowi.
Niech A∈O3,R będzie takim przekształceniem ortogonalnym , że
Wtedy AV=N (N jak w (5.5)).
Niech
i niech δt będzie krzywą ruchu w polu F wyznaczoną przez warunki początkowe δ0=x0 ,δ˙=y0. Wtedy δt∈V oraz γt=Aδt.
∎
Wniosek 5.3
Każdy ruch w polu centralnym R3 jest izometrycznie równoważny pewnemu ruchowi w polu centralnym w R2.
Każde pole centralne w R2 powstaje przez ograniczenie do przestrzeni V≃R2 pewnego pola centralnego w R3 - i odwrotnie - każde takie pole jest wyznaczone przez swoje ograniczenie do V.
∎
5.2. Ruch w polu centralnym w R2
Zaczniemy od sformułowania analogii Stwierdzenia 5.2 dla ruchu w centralnym polu w R2. Dla uproszczenia, w dalszej części tego punktu przyjmiemy, że m=1. Zanurzając R2 jako przestrzeń V w R3 rozważmy ruch xt=x1t,x2t,0 w R3.
Wtedy
|
xt,x˙t=0,0,x1tx˙2t-x2tx˙1t. |
|
Zatem funkcja
|
Mt=x1tx˙2t-x2tx˙1t |
| (5.7) |
jest (skalarną) całką pierwszą ruchu w polu centralnym w R2. Nadamy tej funkcji sens geometryczny, przechodząc do współrzędnych biegunowych r,φ. Wtedy
a zatem
|
x˙1t=r˙tcosφt-rtsinφt⋅φ˙t |
|
|
x˙2t=r˙tsinφt+rtcosφt⋅φ˙t |
|
i otrzymamy
|
Mt=rtcosφtr˙tsinφt+rtcosφt⋅φ˙t- |
|
|
-rtsinφtr˙tcosφt-rtsinφt⋅φ˙t=r2tφ˙t |
|
Widzimy, że wyrażenie (5.7) przyjmie we współrzędnych biegunowych postać
|
Mt=Mrt,φt=r2t⋅φ˙t. |
| (5.8) |
Stwierdzenie 5.3
Dla ruchu w polu centralnym w R2 opisanym za pomocą współrzędnych biegunowych zachodzi
gdzie
|
Pt=12∫t1tr2tφ˙tdt |
| (5.10) |
oznacza pole sektora ograniczonego promieniami φt1,φt oraz krzywą ruchu rt=rφt.
Wielkość dPdtt nazywamy prędkością polową.
Ponieważ w przypadku koła o promieniu r pole wycinka kołowego opartego na łuku o kącie środkowym △φ wynosi
|
△P=πr2⋅△φ2π=12r2△φ |
|
to pole sektora krzywoliniowego ograniczonego promieniami φ1 i φ oraz krzywą rφ otrzymamy jako
|
Pφ=12∫φ1φr2φdφ |
| (5.11) |
Zakładamy, że funkcja φ→rφ jest ciągła na przedziale φ1,φ.
Jeżeli zarówno r jak φ są funkcjami t i przy tym φ jest monotoniczna, Pφ przechodzi na (5.10) i wtedy
∎
Wniosek 5.4
Ruch w polu centralnym w R3 odbywa się w płaszczyźnie w taki sposób, że jego prędkość polowa względem centrum jest stała.
Reguła ta została doświadczalnie wykryta przez Keplera dla ruchu Marsa wokół Słońca.
5.3. Całkowanie równań ruchu w polu centralnym w R2
Ponieważ siła w polu centralnym w każdym punkcie jest skierowana radialnie, wygodnie będzie opisywać ruch, rozkładając w każdej chwili występujące wektory względem zmiennego układu ortogonalnego er,eφ w taki sposób ,że dla punktu o współrzędnych biegunowych rt,φt stosowany w chwli t
układ będzie miał postać:
Ostrzeżenie
Obserwowana poprzez liczenie pochodnych zmiana w czasie dotyczy układu nieruchomego i te pochodne dopiero po ich policzeniu rozkładamy względem zmieniającej się w czasie bazy.
Zaczniemy od obliczenia pochodnych funkcji t→ert i t→eφt i przedstawieniu ich w układzie ruchomym. I tak
|
e˙rt=-sinφtφ˙tcosφtφ˙t=φ˙teφte˙φt=-cosφtφ˙t,-sinφtφ˙t=-φ˙tert |
| (5.12) |
(W dalszym ciągu dla większej przejrzystości długich wzorów zrezygnujemy z pisania explicite argumentu t. Zatem napiszemy φ
zamiast φt, podobnie φ˙ zamiast φ˙t i tak dalej.)
Pisząc xt=rtert i stosując (5.12) otrzymamy
|
x˙=r˙er+re˙r=r˙er+rφ˙eφ |
|
|
x¨=r¨er+r˙φ˙eφ+r˙φ˙eφ+rφ¨eφ-rφ˙2er=r¨-r˙φ˙2er+2r˙φ˙+rφ¨eφ |
|
Ponieważ Fx=frer, otrzymamy stąd dwa równania
|
r¨-rφ˙2=fr2r˙φ˙+rφ¨=0 |
| (5.13) |
Zauważmy, że zasada stałości prędkości polowej oznacza, że
czyli
a zatem drugie z równań (5.13) jest równoważne warunkowi (5.14), który jest równoważny równości mr2φ˙=M. M jest stałą zależną od warunków początkowych, którą dla zwięzłości nazwiemy momentem pędu. Zatem
Wstawiając (5.15) do pierwszego z równań (5.13) sprowadzamy je do postaci zawierającej tylko funkcję rt i jej pochodne:
Podsumujemy nasze rozważania tak:
Stwierdzenie 5.4
Odległość od środka układu w ruchu centralnym w R2 z momentem pędu M i potencjałem Vx,y=gr zmienia się jak odległość od zera w jednowymiarowym ruchu z potencjałem
Istotnie, możemy przepisać (5.16) w postaci
|
mr¨=-ddrgr+M2mr3=-ddrgr+M22mr2 |
| (5.18) |
∎
Stwierdzenie 5.5
Energia całkowita w ruchu dwuwymiarowym z ustalonym momentem pędu M jest taka sama, jak dla ruchu jednowymiarowego z potencjałem (5.17).
W ruchu z potencjałem (5.17) otrzymamy
|
E1=mr˙22+gr+M22mr2 |
| (5.19) |
natomiast w ruchu dwuwymiarowym, kiedy
x=rer, mamy x˙=r˙er+rφ˙eφ a więc dla φ˙=Mmr2
otrzymamy energię kinetyczną w postaci
|
Tx˙=12mx˙2=mr˙2+r2φ˙2=m2r˙2+r2M2m2r4=mr˙22+M22mr2. |
|
Aby podać explicite rozwiązanie równań (5.13) posłużymy się jeszcze jedną całką prostą, jaką jest energia całkowita (5.19).
Z (5.19) wynika, że przy ustalonych energii całkowitej E oraz momencie pędu M mamy
|
drdt2=2mE-gr-M22mr2 |
|
skąd
|
t2-t1=±∫r1r2dr2mE-gr-M22mr2 |
| (5.20) |
Chcąc znależć postać φt zauważmy, że ze związku φ˙r2=M wynika, że φ˙ jest ustalonego znaku a więc φ jest monotoniczną funkcją t1 i ma funkcję odwrotną tφ. Wobec tego rφ=rtφ z zatem
|
drdφ=r˙φ˙albodφdr=φ˙r˙. |
|
Podstawiając tu φ˙=Mr2 oraz r˙=±2mE-Ur otrzymamy
skąd
|
φ2-φ1=±∫r1r2Mr22mE-gr-M22mr2 |
|
∎