Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Важнейшим случаем центрального движения является тот, в котором величина центральной силы зависит только от расстояния $r$. Если эту силу обозначить через $f(r)$, то будем иметь дифференциальное уравнение траектории Интеграция его дает: где $c$ – постоянная. Повторной интеграцией находим уравнение траектории в полярных координатах: Если с помощью этого уравнения определить $r$ в функции от $\vartheta$, то это дает время в виде интеграла: Таким образом, если сила зависит только от расстояния, то задача центрального движения всегда разрешима в квадратурах. где $\Phi$ – функция только $\vartheta$, а $a$ и $b$ – произвольные постоянные. (Armellini.) где $a, b, c$ – постоянные, кроме случая $n=-1$, когда вместо $u^{-n-1}$ будет стоять логарифм. Если потребовать, чтобы задача решалась в круговых функциях, то получим условие: полином, стоящий под корнем интеграла, может иметь высшей степенью число, не превышающее двух. Отсюда следует, что $-n-1=0,1,2$, т. е. Случай $n=-1$, на основании предыдущего замечания, исключается. Следует еще присоединить случай $n=1$, так как при этом подрадикальное выражение, введением $u^{2}$ в качестве новой переменной, приводится к квадратному трехчлену. Выясним теперь, в каких случаях интеграция выполняется в эллиптических функциях ${ }^{1}$. Для этого подкоренной полином должен быть третьей или четвертой степени относительно переменной интегрирования ${ }^{2}$. При независимой переменной $u$ это выполняется, если $n=0,-4,-5$. Кроме того, если принять за новую переменную $u^{2}$, то условие будет выполнено и для Таким образом, задача центрального движения, в которой сила пропорциональна $n$-й степени расттояния, может быть разрешена в круговых или эллиптических функция в следующих случаях: ЗАДАчА 2. Показать, что задача может быть решена в эллиптических функциях, если $n$ имеет значения: Общим случаем дробных значений $n$ занимался Нобиле (Nobile, Giornale di Mat., т. 46, стр. 313, 1908). Особый интерес представляют задачи, разрешаемые в круговых функциях; им, как мы видели, соответствуют значения $n=1,-2,-3$. Случай $n=-2$ рассмотрим в ближайшем параграфе. При $n=1$ и $n=-3$ можно поступить следующим образом: Для определения траектории получим равенство: где $u^{2}=v$, таким образом или, обозначая постоянную интегрирования через $\gamma$ : откуда Это есть центральное уравнение эллипса (если $\mu>0$ ) или гиперболы (если $\mu<0$ ). Следовательно, траектории представляют конические сечения, центр которых находится в центре притяжения ${ }^{1}$. Следовательно, будем иметь: Интегрирование дает: во всех трех равенствах $A$ и $\varepsilon$ означают постоянные интегрирования. Эти кривые иногда называют спиралями Котса (Cotes). Последняя кривая есть обратная спираль ${ }^{2}$. В связи с силами, которые обратно пропорциональны третьей степени расстояния, можно сделать следующее замечание: пусть траектория точки, находящейся под действием центральной силы $P(r)$, направленной в начало. Тогда траекторию, которая получится в результате действия центральной силы $P(r)+\frac{c}{r^{3}}$, где $c$ – постоянная, можно изобразить в виде: где $k$ – произвольная постоянная. При этом промежуток времени, в течение которого радиус-вектор, проведенный из неподвижного центра в движущуюся точку, изменяется от значения $r_{1}$ до значения $r_{2}$, будет одинаков для обеих траекторий. В самом деле, если отметим штрихами величины, относящиеся ко второй траектории, то будем иметь: Поэтому, если мы выберем новую постоянную момента количества движения $h^{\prime}$ так, чтобы $h^{\prime}=h k$ (это уравнение и будет доказывать упомянутое выше утверждение о равенстве промежутков времени, так как оно может быть представлено в виде $\frac{d t^{\prime}}{r^{\prime 2}}=\frac{d t}{r^{2}}$, то получим: что и доказывает теорему; ее называют иногда теоремой Ньютона о вращающихся траекториях. Задачи центрального движения для $n=5,3,0,-4,-5,-7$, как мы видели, приводят к эллиптическим интегралам. Если эти интегралы мы обратим, то сможем получить решение в эллиптических функциях. В качестве примера разберем случай $n=-5$. Пусть $\mu u^{5}$ будет сила, направленная в центр притяжения. Будем наперед полагать, что материальной точке сообщена меньшая начальная скорость, чем та, которую она имела бы, если бы приблизилась из бесконечности в исходную точку изучаемого движения, причем так, что ее полная энергия стала бы отрицательной. Обозначим эту энергию через $-\frac{1}{2} \gamma$. совместно с уравнением получим: Если теперь вместо $r$ введем новую переменную $\rho$,определяемую равенством то дифференциальное уравнение обратится в следующее: Если $\gamma$ положительно, то корни уравнения будут действительными; сумма их равна $\frac{1}{3}$ и меньший корень меньше, чем $-\frac{1}{3}$. Если обозначим больший корень через $e_{1}$, меньший – через $e_{3}$ и величину $-\frac{1}{3}$ через $e_{2}$, то будем иметь: следовательно, Заметим теперь, что $r$ – положительно и на основании уравнения энергии не может превышать величины $\sqrt[4]{\frac{\mu}{2 \gamma}}$. Поэтому выражение $\wp(\vartheta-\varepsilon)+\frac{1}{3}$ действительно положительно и имеет нижнюю положительную границу. Но для $e_{1}>e_{2}>e_{3}$ и при всяких вещественных значениях $\vartheta$ функция $\wp(\vartheta-\varepsilon)$ будет действительной и будет превышать конечную нижнюю границу лишь в том случае, если $\varepsilon$ действительно. Итак, $\varepsilon$ действительно и соответствующим выбором начального значения $\vartheta$ может быть сделано равным нулю. Время может быть определено из равенства: или Выполнение этого интегрирования дает для $t$ уравнение: где $\zeta(\vartheta)$ есть функция дзета Вейерштрасса ${ }^{2}$. или предполагается, что $h^{2}>4 \mu E>0$, где $h-$ момент количества движения относительно силового центра, а $E$ – избыток полной энергии над потенциальной в бесконечности. (Cambridge Math. Tripos, ч. 1, 1894.) ЗАДАчА 4. Материальная точка обладает постоянным ускорением, направленным в начало координат. Показать, что радиус-вектор $r$, аргумент $\vartheta$ и время $t$ могут быть представлены как функции действительного вспомогательного угла $и$ в виде: Это равенство показывает, что касательная к траектории перпендикулярна радиусу-вектору. Если Солнце рассматривается как силовой центр, то апоцентр и перицентр именуют обычно афелием и перигелием. Показать, что угол между радиусами-векторами, проведенными к двум следующим друг за другом апсидам, имеет величину где $h$ – постоянная момента количества движения.
|
1 |
Оглавление
|