Soru:
Neden enerji ve momentum (sınırlı üç bedenli sistemin) korunmuyor, yoksa bunlar mı?
uhoh
2020-05-12 15:03:07 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jacobi sabiti periyodik bir yörünge boyunca sabit mi? sorusu beni Wikipedia'nın Jacobi integraline götürüyor:

In gök mekaniği, Jacobi integrali (Jacobi integrali veya Jacobi sabiti olarak da bilinir), dairesel sınırlı üç cisim problemi için bilinen tek korunan niceliktir. İki cisim probleminin aksine, sistemin enerjisi ve momentumu ayrı ayrı korunmaz ve genel bir analitik çözüm mümkün değildir. İntegral, özel durumlarda çok sayıda çözüm türetmek için kullanılmıştır.

Adını Alman matematikçi Carl Gustav Jacob Jacobi'den almıştır.

Cesurca yazılan ifade beni şaşırtıyor çünkü Newton yerçekimi konservatif bir kuvvettir ve bu yüzden enerjinin nasıl korunmayacağını göremiyorum.

Muhtemelen basit bir şeyi kaçırıyorum, ama bu nedir? "Ayrı ayrı" kelimesi mi? Yalnızca sistemin hareketi sinodik (dönen) bir çerçevede ele alındığında ve bu daha sonra göz ardı edildiğinde mi olur?

Cümlenin kötü ifade edildiğine katılıyorum. Ama Don'tPanic (TM) :-) uzay-zaman sürekliliğinde bir çatlak önermiyorlar
Yine kötü yazılmış başka bir Wikipedia makalesi ve bu durumda yanlış bir Wikipedia makalesi. Niteleyici olmayan "momentum" hemen hemen evrensel olarak açısal momentumdan ziyade doğrusal momentuma atıfta bulunur ve doğrusal momentum, iki cisim probleminde ayrı olarak korunan bir miktar değildir. Ancak iki cisim probleminde açısal momentum hem toplamda hem de ayrı ayrı korunur.
@nanoman'nin cevabının, nitelenmemiş "momentumu" doğrusal momentum olarak yorumladığına dikkat edin. Niteliksiz bir momentumun standart anlamı olduğu için bu yorumda yanlış bir şey yok. (Doğrusal) momentumun ayrı olarak korunan bir miktar olmadığını göstermek kolaydır. Yörüngedeki bazı nesnelerin doğrusal momentumu, bir yörüngenin yarısı sonrasındaki doğrusal momentumuna taban tabana zıttır.
Matematikçi Carl Gustav Jacob Jacobi, Prusya krallığında doğdu ve öldü. Ölümünden 20 yıl sonra, birleşik Alman İmparatorluğu kuruldu.
üç yanıtlar:
Uwe
2020-05-12 15:51:19 UTC
view on stackexchange narkive permalink

İki gövdeli bir sistemde, toplam enerji, kinetik enerji ve potansiyel enerjinin toplamı her bir cisim için sabittir. Her cisim için toplam enerji sabitse, tüm sistem için toplam enerji de sabittir. Dolayısıyla, enerji tasarrufu, tek başına her vücut için ve sistem için geçerlidir.

Üç vücut sisteminde, vücutlar arasında enerji değiş tokuşu yapılabilir. Bu nedenle, kinetik enerji ve potansiyel enerjinin toplamı, tek başına üç cismin her biri için sabit olamazdı. Ancak enerji kayıpsız olarak değiştirildiğinde, toplam üç cismin hepsi için sabit kalır.

Yani enerji üç cismin her biri için ayrı ayrı değil, tüm sistem için korunabilir.

Üç beden problemi olan Lagrange noktalarının özel çözümleri var. Lagrangian sisteminin üç gövdesi arasında enerji değişimi yoktur. Enerji tasarrufu tek başına her vücut için olduğu kadar üç vücut için de geçerlidir, ancak yalnızca üç vücut sisteminin bu özel durumu için geçerlidir.

Oh! Üç cisim arasındaki ayrıma değil, enerji ve momentum arasındaki ayrıma * ayrı ayrı * uygulandığını düşünerek cümleyi yanlış anladım. Ah! Teşekkürler
Yerçekimi destekli uzay sondalarının kullanımı, meydana gelebilecek enerji aktarımı türünün basit bir örneğidir.
@antlersoft bu üç gövdeli bir sistemdir. Jüpiter ile uçarak, Jüpiter'in bakış açısından enerji elde edemezsiniz, sadece Güneş'in bakış açısından. Aslında, Güneş olmadan, Jüpiter'in önünde veya arkasında uçmak mümkün değildir. Güneş enerji değişimini kolaylaştırmaz, ancak bir referans noktası sağlar.
@JohnDvorak Evet, üç gövdeli bir sistemdir ve üç gövdeli bir sistemde meydana gelebilecek enerji aktarımı türüne bir örnek sağlar.
nanoman
2020-05-13 13:04:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Wikipedia alıntısının kafa karıştırıcı olduğuna katılıyorum, ancak Uwe'nin bu konudaki açıklamasına katılmıyorum.

Elbette, sıradan tanımlara göre (iki veya üç gövdeli) sistemin toplam enerjisi korunur ve sistemin toplam momentumu korunur. Burada toplam enerji ve momentum, kütleler, koordinatlar ve hızlar cinsinden olağan Newton formülleri tarafından eylemsiz bir referans çerçevesinde verilmektedir.

Uwe'nin cevabının söylediğinin aksine, ne iki ne de a üç cisim sistemi, her cismin ayrı ayrı korunmuş olağan enerjisi veya momentumudur. İki cisim probleminde bile, iki cisim arasında yerçekimi kuvveti yoluyla enerji ve momentum akışı. Bu yüzden Wikipedia alıntısının bu yorumuna katılmıyorum.

Öyleyse, enerji ve momentum iki cisim sorunu (2BP) için korunabilirken korunmuyor sınırlı üç cisim sorunu (R3BP) için?

İlk olarak, Wikipedia yazarının açısal momentum demeyi kastettiğini öneriyorum (bu aynı zamanda sıradan 2BP veya R3BP için duyu, herhangi bir kapalı sistem için olduğu gibi).

İkincisi, konuşulan enerji ve açısal momentum tek cisim indirgeme em

2BP ve R3BP, tüm dinamiklerin vücutlardan birinin yörüngesi aracılığıyla ifade edilebileceği özel niteliğini paylaşır. (R3BP için en hafif olanı). Bu yörünge göz önüne alındığında, diğer cisim (ler) in hareketi - kütle merkezinin atalet hareketinden (2BP'de) veya iki çok büyük cismin (R3BP'de) özerk iki cisim hareketinden kolayca çıkarılır.

Bu özel nitelik, tartışmanın bağlamını belirler. Seçkin cismin yörüngesi, diğer cismin (cisimlerin) kütle merkezine göre tanımlanır. Bu, genel hareketi (tüm sistemin kütle merkezinin) ayırır ve toplam (doğrusal) momentumun korunumunu önemsizleştirir. Şimdi amaç, dış potansiyelde basit bir cisim gibi davranarak ve tek cisim mekaniğini uygulayarak seçkin cismin yörüngesini anlamaktır.

2BP için, bu dönüşüm, toplam kütle tarafından çekime karşılık gelen bir dış çekim potansiyeli içinde hareket eden "azaltılmış kütleye" sahip bir cisimle sonuçlanır. Bu potansiyel zaman ve dönüşle değişmez olduğundan, bu tek cisim problemi için yazılmış enerji ve açısal momentum korunur. Aslında, her iki cismin de sıradan toplam enerjisine ve açısal momentumuna eşittirler.

R3BP için, büyük cisimlerin kütle merkezleri etrafındaki hareketleri nedeniyle, Seçkin cismi yöneten yerçekimi potansiyeli ne zaman ne de dönüşle değişmez . Wikipedia'nın "sistemin enerjisi ve [açısal] momentumu ayrı ayrı korunmaz" derken kastettiği şey budur (yine "ayrı ayrı", "her gövde için ayrı ayrı korunan" anlamına gelmez ), eksik olanı ekleyerek "açısal" ve bunu tek gövdeli azaltmadaki miktarlara atıfta bulunmak için anlamak.

Bununla birlikte, dairesel R3BP için, kütleçekim potansiyeli, büyük kütlelerin yörüngesiyle katı bir şekilde döner. Bu nedenle, zaman ötelemesi veya uzaysal dönme altında tek tek değişmez olmamakla birlikte, bu tek tip açısal hıza karşılık gelen ikisinin belirli bir kombinasyonu altında değişmez. Karşılık gelen birleşik korunan miktar, Jacobi integralidir.

Üç cismin sıradan toplam enerjisi ve açısal momentumu (ki bu gerçekten iki büyük cisim anlamına gelir) tabii ki R3BP'de korunmuş olsa da, bu korunan miktarlar yararlı değildir çünkü hareketini anlamaya çalıştığımız en hafif beden. Önemli olan tek vücut azaltımı için korunan bir miktar bulmaktır.

"İki cisim probleminde bile, enerji ve momentum iki cisim arasında yerçekimi kuvveti aracılığıyla akar." Bu gerçekten doğru mu? Bunu matematiksel olarak gösterebilir misin?
@uhoh Momentum için en net olanı - toplam momentum $ \ mathbf {p} = m_1 \ mathbf {v} _1 + m_2 \ mathbf {v} _2 $ ve her cismin momentumunun tek mantıklı tanımı $ \ mathbf { p} _1 = m_1 \ mathbf {v} _1 $ ve $ \ mathbf {p} _2 = m_2 \ mathbf {v} _2 $. Her cisim yerçekimi kuvveti altında hızlandığından, $ \ dot {\ mathbf {p}} _ 1 \ ne \ mathbf {0} $ ve $ \ dot {\ mathbf {p}} _ 2 \ ne \ mathbf {0} $ oysa $ \ dot {\ mathbf {p}} = \ mathbf {0} $.
Wikipedia makalesi yanlış. Momentum yerine (niteliksiz) açısal momentumu ele almalıydı. İki cisim probleminde açısal momentum hem toplamda hem de ayrı ayrı korunur. Üç cisim probleminde açısal momentum, üç cisim probleminin sınırlı versiyonunda bile ayrı ayrı korunmaz.
Öte yandan, iki cisim probleminde açısal momentumun sadece toplamda değil, aynı zamanda bireysel olarak da korunduğunu göstermek kolaydır. İki cisim sisteminin kütle merkezine göre yörüngedeki bir cismin açısal momentumu $ \ mathbf r \ times m \ mathbf v $ şeklindedir. Bunun zaman türevi $ \ dot {\ mathbf r} \ times m \ mathbf v + \ mathbf r \ times m \ dot {\ mathbf v} = m \ mathbf v \ times \ mathbf v + \ mathbf r \ times \ mathbf F = \ mathbf r \ times \ mathbf F $, eşit olarak sıfırdır çünkü $ \ mathbf F $ kuvveti radyaldir.
@DavidHammen Yorumlarınızı yazma şeklinize göre, cevabımda ben de makalenin açısal momentum demesi gerektiği sonucuna vardığınızı fark ettiniz mi emin değilim.
Mekaniğim paslanmış ama [bunu sayısal olarak ele almayı] denedim (https://space.stackexchange.com/a/44076/12102).
uhoh
2020-05-14 03:44:40 UTC
view on stackexchange narkive permalink

"Lise fiziğini unutmak için asla geç değildir" diyorlar ve burada olanın da bu olduğuna şüphe yok. Bu yazıyı aşağıdaki yorumlara göre revize ettim, utancımı en üst düzeye çıkarmak için onları orada tutmalıyız. ;-)


Altında bu cevabı şu anda belirten tartışma olduğu için

Uwe'nin cevabının söylediğinin aksine, her ikisinde de iki veya üç gövdeli bir sistem, her bir cismin ayrı ayrı korunan olağan enerjisi veya momentumudur. İki cisim probleminde bile, iki cisim arasında yerçekimi kuvveti yoluyla enerji ve momentum akışı. Bu yüzden Wikipedia alıntısının bu yorumuna katılmıyorum.

"İki vücut arasındaki momentum akışı" sorusunu sorguladım. ve bunun yerine python'a dönün.

İşte iki cisim yörünge hesaplayıcısı. $ m_1, m_2 = 0.2, 0.8 $ kullandım ve hızları kütle merkezi hareketini sıfır olacak şekilde dengeledim.

f parametresi 1.0 olarak ayarlandığında bunlar dairesel yörüngelerdir ve her bir cismin açısal momentumu sabittir. Bunlar daire olduklarından, bu aynı zamanda lineer momentlerinin büyüklüğünün sabit olduğu anlamına gelir.

f 0,5'e ayarlandığında eliptik yörüngelerdedirler ve her bir ayrı cismin açısal momentumu yükselip alçalırken, toplamın $ m_1 \ mathbf {v_1} \ times \ mathbf {r_1} + m_2 \ mathbf {v_2} \ times \ mathbf {r_2} = 0 $ tutmalıdır.

İki cisim arasındaki momentum akışı veya enerji akışı konusunda hâlâ% 100 rahat olmasam da, doğrusal momentumun ters yönlerde hareket ettiği kesinlikle doğrudur. Momentumun korunumunu koruyun.

Benzer şekilde, her bir vücudun kinetik enerjisi ile paylaşılan potansiyel enerjisi arasında değişim var, ancak enerjinin bir vücuttan diğerine aktığını "görmüyorum .

two body circular orbit

two body elliptical orbit

  numpy'i npimport matplotlib.pyplot olarak pltfrom scipy olarak içe aktar . ithal odeint'i ODEintdef türevi olarak entegre edin (X, t): x1, x2, v1, v2 = X.reshape ((4, -1)) a1 = - (x1-x2) * m2 * (((x1-x2) ** 2) .sum ()) ** - 1.5 a2 = - (x2-x1) * m1 * (((x2-x1) ** 2) .sum ()) ** - 1.5 dönüş np.hstack (( v1, v2, a1, a2)) m1, m2 = 0.2, 0.8f = 0.5X0 = np.array ([0.8, 0, -0.2, 0, 0, f * 0.8, 0, -f * 0.2]) kez = np.arange (0, 20, 0.01) yanıt, bilgi = ODEint (türev, X0, times, full_output = True) x1, x2, v1, v2 = answer.T.reshape (4, 2, -1) p1, p2 = m1 * v1, m2 * v2L1, L2 = m1 * np.cross (x1, v1, axisa = 0, axisb = 0), m2 * np.cross (x2, v2, axisa = 0, axisb = 0) KE1 , KE2 = 0.5 * m1 * (v1 ** 2) .sum (eksen = 0), 0.5 * m2 * (v2 ** 2) .sum (eksen = 0) PE = - m1 * m2 / np.sqrt (( (x2-x1) ** 2) .sum (eksen = 0)) Etot = KE1 + KE2 + PEif True: plt.figure () plt.subplot (5, 1, 1) plt.plot (x1 [0], x1 [1]) plt.plot (x2 [0], x2 [1]) plt.plot ([0], [0], '.k') plt.plot (x1 [0] [0], x1 [ 1] [0], 'tamam') plt.plot (x2 [0] [0], x2 [1] [0], 'tamam') xmin, xmax = plt.xlim () plt.xlim (xmin-0.05, xmax + 0.05) ymin, ymax = plt.ylim () plt.ylim (ymin-0.05, ymax + 0.05) plt.gca ( ) .set_aspect ('eşittir') plt.subplot (5, 1, 2) içindeki şey için (x1 [0], x1 [1], x2 [0], x2 [1]): plt.plot (zamanlar, şey ) plt.title ('x1, y1, x2, y2') plt.subplot (5, 1, 3) (p1 [0], p1 [1], p2 [0], p2 [1]) içindeki şey için: plt.plot (zamanlar, şey) plt.title ('px1, py1, px2, py2') plt.subplot (5, 1, 4) plt.plot (times, L1) plt.plot (times, L2) plt. ylim (0, 0.14) plt.title ('L1, L2') plt.subplot (5, 1, 5) plt.plot (times, KE1) plt.plot (times, KE2) plt.plot (times, PE) plt.plot (zamanlar, Etot) plt.title ('E1, E2, PE, Etot') plt.show ()  
1. Momentumun x ve y bileşenlerine (muhtemelen doğrusal momentum) atıfta bulunuyorsunuz, ancak bunlar çizilmemiştir. Momentum bir vektördür ve * her bileşen korunur *. Momentumun y bileşenine baktığımızda, birinci gövde 1'lerin pozitif, 2. gövdenin negatif olduğunu, sonra diğer yöne gittiğini, toplamın (toplam momentumun y bileşeni) ise sabit kaldığını (sıfır) göreceksiniz. Bedenler arasında akan momentumdan kastım budur. "X'teki momentum, y'deki momentum ile değiştirilir" demek mantıklı değildir çünkü bunlar iki farklı korunmuş niceliktir ve biri diğerine dönüştürülemez.
2. Açısal momentum hesaplamanız yanlıştır - konum vektörü ile momentum vektörü arasındaki açıya bağımlılık eksiktir (bu bir çapraz üründür - açısal momentum da bir vektördür, ancak burada sadece z bileşeni sıfır değildir). Bu düzeltildiğinde, açısal momentumun * her cisim için * korunduğunu göreceksiniz (David Hammen'in belirttiği gibi). Söylediğinizin aksine, her iki cismin toplam açısal momentumu sıfır değil, sabittir.
3. Enerji grafiği (özellikle eksantrik bir yörünge için), Uwe'nin enerjinin her vücut için ayrı ayrı korunduğu iddiasıyla neyin kastedildiğinin bile açık olmadığını gösterir. Dikkat ettiğiniz gibi, kinetik enerji her vücut için doğal olarak tanımlanır, ancak potansiyel enerji * karşılıklı * bir miktardır. Potansiyel enerjiyi tahsis etmenin varsayılan yolu yarım buçuktur. Bu, her vücut için kinetik artı potansiyel enerjinin korunmasına * yol açmaz * (daha ziyade, bir vücut enerji kaybederken diğeri kazanır, sonra tersi). Sonuçlar, Uwe'nin 2BP'deki her vücut için ayrı enerji tasarrufu iddiasını desteklemiyor.
@nanoman * yikes !!! * Sabah kahvemden önce bir şeyler yaptığımda böyle olur! Evet, elbette * yörüngeler dairesel olmadığında * Açısal momentumun mutlak değerini elde etmek için artık skaler hızı skaler mesafe ile çarpamıyorum. Tamam, birkaç dakika içinde düzeltirim. Teşekkürler!
@nanoman revize edildi, teşekkürler! Sakıncası yoksa lütfen yorumlarınızı burada tutun.


Bu Soru-Cevap, otomatik olarak İngilizce dilinden çevrilmiştir.Orijinal içerik, dağıtıldığı cc by-sa 4.0 lisansı için teşekkür ettiğimiz stackexchange'ta mevcuttur.
Loading...