Lássuk be, hogy nem lehet a három pontot úgy elhelyezni, hogy egy inerciarendszerben

Hasonló dokumentumok
Kinematika szeptember Vonatkoztatási rendszerek, koordinátarendszerek

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

Az alábbi fogalmak és törvények jelentését/értelmezését/matematikai alakját (megfelelő mélységben) ismerni kell: Newtoni mechanika

Hamilton rendszerek, Lyapunov függvények és Stabilitás. Hamilton rendszerek valós dinamikai rendszerek, konzerva3v mechanikai rendszerek

Lagrange és Hamilton mechanika

A mechanika alapjai. A pontszerű testek dinamikája

A brachistochron probléma megoldása

Az elméleti mechanika alapjai

Egyenes és sík. Wettl Ferenc szeptember 29. Wettl Ferenc () Egyenes és sík szeptember / 15

Egyenes és sík. Wettl Ferenc Wettl Ferenc () Egyenes és sík / 16

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Égi mechanika tesztkérdések. A hallgatók javaslatai 2008

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Az inga mozgásának matematikai modellezése

Koordináta-geometria feladatok (középszint)

λ 1 u 1 + λ 2 v 1 + λ 3 w 1 = 0 λ 1 u 2 + λ 2 v 2 + λ 3 w 2 = 0 λ 1 u 3 + λ 2 v 3 + λ 3 w 3 = 0

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

KÖRMOZGÁS, REZGŐMOZGÁS, FORGÓMOZGÁS

3. előadás Stabilitás

Tartalomjegyzék. A mechanika elvei. A virtuális munka elve. A TételWiki wikiből 1 / 6

Robotika. Kinematika. Magyar Attila

Mechanika. Kinematika

Matematika III. harmadik előadás

Egy mozgástani feladat

Érettségi feladatok: Koordináta-geometria 1/5

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika ZH, október 10.. CHFMAX. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

I. feladatsor. 9x x x 2 6x x 9x. 12x 9x2 3. 9x 2 + x. x(x + 3) 50 (d) f(x) = 8x + 4 x(x 2 25)

Matematika (mesterképzés)

Forogj! Az [ 1 ] munkában találtunk egy feladatot, ami beindította a HD - készítési folyamatokat. Eredményei alább olvashatók. 1.

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

3.1. ábra ábra

1. fejezet. Gyakorlat C-41

Kifejtendő kérdések december 11. Gyakorló feladatok

IMPULZUS MOMENTUM. Impulzusnyomaték, perdület, jele: N

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

A LÉGKÖRBEN HATÓ ERŐK, EGYENSÚLYI MOZGÁSOK A LÉGKÖRBEN

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Érettségi feladatok Koordinátageometria_rendszerezve / 5

Matematika III előadás

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK EMELT SZINT Koordinátageometria

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Vektorok II.

Az elliptikus hengerre írt csavarvonalról

Koordinátageometria. M veletek vektorokkal grakusan. Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar Matematika Tanszék 1

Matematika A1a Analízis

5. házi feladat. AB, CD kitér élpárra történ tükrözések: Az ered transzformáció: mivel az origó xpont, így nincs szükség homogénkoordinátás

A LÉGKÖRBEN HATÓ ERŐK, EGYENSÚLYI MOZGÁSOK A LÉGKÖRBEN

5. előadás. Skaláris szorzás

MATE-INFO UBB verseny, március 25. MATEMATIKA írásbeli vizsga

Tömegvonzás, bolygómozgás

Analitikus térgeometria

Dinamika. A dinamika feladata a test(ek) gyorsulását okozó erők matematikai leírása.

Vektorok. Wettl Ferenc október 20. Wettl Ferenc Vektorok október / 36

A hiperbolikus Kepler-egyenlet geometriai szemléletű tárgyalása

17. előadás: Vektorok a térben

Bolygómozgás. Számítógépes szimulációk fn1n4i11/1. Csabai István, Stéger József

Egybevágósági transzformációk. A geometriai transzformációk olyan függvények, amelyek ponthoz pontot rendelnek hozzá.

Osztályozó, javító vizsga 9. évfolyam gimnázium. Írásbeli vizsgarész ELSŐ RÉSZ

A felcsapódó kavicsról. Az interneten találtuk az alábbi, a hajítás témakörébe tartozó érdekes feladatot 1. ábra.

Koordinátageometria. , azaz ( ) a B halmazt pontosan azok a pontok alkotják, amelynek koordinátáira:

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

A következő feladat célja az, hogy egyszerű módon konstruáljunk Poisson folyamatokat.

Vektorok és koordinátageometria

10. Koordinátageometria

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Mozgás centrális erőtérben

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

A LÉGKÖRBEN HATÓ ERŐK, EGYENSÚLYI MOZGÁSOK A LÉGKÖRBEN

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT. Koordináta-geometria

Fénypont a falon Feladat

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

2018/2019. Matematika 10.K

1. Feladatok munkavégzés és konzervatív erőterek tárgyköréből. Munkatétel

Síkbeli egyenesek. 2. Egy egyenes az x = 1 4t, y = 2 + t parméteres egyenletekkel adott. Határozzuk meg

Koordináta-geometria feladatok (emelt szint)

A bolygók mozgására vonatkozó Kepler-törvények igazolása

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

Kvantummechanika gyakorlat Beadandó feladatsor Határid : 4. heti gyakorlatok eleje

Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

Képlet levezetése :F=m a = m Δv/Δt = ΔI/Δt

Koordináta-geometria feladatgyűjtemény (A feladatok megoldásai a dokumentum végén találhatók)

Atomok és molekulák elektronszerkezete

Analitikus térgeometria

Feladatok az 5. hétre. Eredményekkel és teljesen kidolgozott megoldásokkal az 1,2,3.(a),(b),(c), 6.(a) feladatokra

Emelt szintű érettségi feladatsorok és megoldásaik Összeállította: Pataki János; dátum: november. I. rész

MATEMATIKA HETI 5 ÓRA. IDŐPONT: június 8.

1 2. Az anyagi pont kinematikája

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Koordináta-geometria

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK február 13.

Exponenciális és logaritmusos kifejezések, egyenletek

Kerék gördüléséről. A feladat

Koordinátageometriai gyakorló feladatok I ( vektorok )

A 2013/2014. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló MATEMATIKA I. KATEGÓRIA (SZAKKÖZÉPISKOLA) Javítási-értékelési útmutató

Minimum követelmények matematika tantárgyból 11. évfolyamon

Feladatok Differenciálegyenletek II. témakörhöz. 1. Határozzuk meg a következő elsőrendű lineáris differenciálegyenletek általános megoldását!

Átírás:

Feladat: A háromtest probléma speciális megoldásai Arra vagyunk kiváncsiak, hogy a bolygó mozgásnak milyen egyszerű egyensúlyi megoldásai vannak három bolygó esetén. Az így felmerülő három-test probléma általában nem megoldható, de van érdekes egyszerű speciális megoldása. Tekintsünk három pontszerű tömeget m, m és m 3 tömeggel, valamilyen kezdő sebességgel, amelyek között a gravitációs kölcsönhatás működik. Lássuk be, hogy nem lehet a három pontot úgy elhelyezni, hogy egy inerciarendszerben helyben maradjanak. Ez az állítás nem igazán érdekes, de érdekes lehet, hogy a három-test problémának létezik a következő speciális megoldása: A három pont egyenlőoldalú háromszöget alkot, amelyik egyenletes sebességgel forog a három pont által kifeszített síkban e három nem feltétlenül egyforma tömegű) pont fizikai súlypontja körül. Határozzuk meg a forgás sebességét. Ez az állítás azt jelenti, hogy a három pont egy helyben áll egy forgó koordinátarendszerben, és egy egyenlőoldalú háromszöget feszít ki. Bizonyítsuk be, hogy ha a három pont egy helyben áll egy forgó koordinátarendszerben, és nincs egy egyenesen, akkor a három pont szabályos háromszöget alkot, melynek fizikai súlypontja a forgás tengelye. Lássuk be, hogy lehetséges olyan megoldása is a három-test problémának, melyben a három pont egy egyenesen van, mely a fizikai súlypont körül egyenletes sebességgel forog. De ilyenkor a három pont által meghatározott szakaszok hosszának az aránya függ a pontok tömegétől. Történeti megjegyzés: A három-test problémának itt ismertetett egyensúlyi megoldását Lagrange találta meg először. Az egy egyenesen levő megoldás Eulertől származik. Lagrange úgy hitte, hogy az általa talált megoldás az égbolton nem figyelhető meg. Jóval később vették észre a csillagászok, hogy a Nap, a Jupiter és az un. trójai bolygócsoport közelítőleg egyenlőoldalú háromszöget alkot, tehát a Lagrange által talált megoldás megvalósul az égbolton. Mivel ez egy közelítő megoldás, amelyik már rég kialakult, és azóta sem robbant fel, azt várjuk, hogy a Lagrange féle megoldás stabil, azaz ha a kezdeti időpontban beállítjuk ennek egy kis perturbációját, mint kezdeti feltételt, akkor a trajektória örökké ennek az egyensúlyi állapotnak a közelében marad. Ez az állítás be van bizonyítva, de a bizonyítás nehéz. Az Euler féle megoldás viszont instabil. Egy külön lapon vázolom, hogyan lehet ezt a feladatot megoldani egyszerűen bizonyos fizikai törvényszerűségeket felhasználva.

A kívánt megoldásnak olyannak kell lenni, hogy a három bolygó áll egy a fizikai) súlypont középpontú ω szögsebességgel forgó kordinátarendszerben. Ez úgy lehetséges, ha mindegyik bolygóra a ráható erők összege figyelembe véve az m i r i ω súlypontba mutató centrifugális erőt is) nulla. Lássuk be, hogy a három bolygóra ható erők összege nulla. Az állítás nem triviális része az, hogy a centrifugális erők összege nulla, ha a forgás középpontja a három pontból álló rendszer fizikai) súlypontja.) Ha a három pont szabályos háromszöget alkot, akkor az egyes bolygókra ható erők a fizikai) súlyvonal irányában hatnak. Ha az egyik bolygóra ható erők összege nulla, akkor mind a három bolygóra igaz ez. Határozzuk meg az egyenlő oldalú háromszög alakú megoldást. Mutassuk meg, hogy tömegvonzási erők csak úgy lehetnek párhuzamosak a centrifugális erőkkel, ha a három bolygó vagy egyenlő oldalú háromszöget alkot vagy egy egyenesen van. Oldjuk meg a feladatot. Meg kell még találnunk a három egy forgó egyenesen levő pontokból álló megoldást. Ennek érdekében vezessük be a következő jelőléseket. Legyen x, x és x 3, x < x < x 3, a három pont koordinátája a fizikai) súlypont körül forgó koordinátarendszerben, x 3 x = a, x x = ρa, x 3 x = σa, ω a forgás szögsebessége és M = m +m +m 3. Ekkor 0 < ρ, σ <, ρ + σ =, és érvényesek a következő egyenletek: m x + m x + m 3 x 3 = 0, Az utolsó két egyenletet át lehet írni így: m x ω = m m x x ) + m m 3 x x 3 ) m 3 x 3 ω = m m 3 x x 3 ) + m m 3 x x 3 ) m ρ a + m 3 a m σ a + m a = x ω = aω M m ρ + m 3 ) = x 3ω = aω M m + m σ) és innen m σ + m m σ + m = m ρ + m 3 m ρ + m 3, ρ = σ. Lássuk be az utolsó egyenlet két oldalának monotonítása alapján, hogy az egyértelműen megoldható ρ-ban, 0 < ρ <, és ezért az eredeti feladat is egyértelműen megoldható.

A kéttest probléma megoldása: A következő feladatok célja annak megmutatása, hogy a középiskolában tanult fizika lefordítása a matematika nyelvére segít a bolygómozgást leíró differenciálegyenletek leírásában. Aztán érdemes megfogalmazni azokat az általános kérdéseket, melyek vizsgálata segít mechanikai feladatok megoldásában. A feladatokban csak a nap és a bolygók kölcsönhatását vesszük figyelembe, azaz a kéttest problémával foglalkozunk. Tehát adva van két pont, x t) = x t), x t), x 3t)) és x t) = x t), x t), x 3t)) a térben, és ezek között a kölcsönhatás const., r = x x nagyságú és a másik pont irányába hat. r Ebben az esetben a Newton egyenletek a következők: d x t) Cx m = t) x t)) x t) x t) 3, Cx t) x t)) x t) x t) 3, Cx 3t) x ) 3t)) x t) x t) 3 d x t) Cx m = t) x t)) x t) x t) 3, Cx t) x t)) Cx 3t) x ) 3t)) x t) x t) 3 x t) x t) 3, ahol x t) = x t), x t), x 3t) ) és x t) = x t), x t), x 3t) ). Lássuk először azt be, hogy ez a kéttest probléma két egytest problémává esik szét, ha a a koordinátarendszer középpontját a súlypontba helyezzük. Pontosabban.) Legyen Ekkor x = x m x + m x m + m x = x m x + m x m + m. d x ) t) C x = t) x t) 3, C x t) x t) 3, C x 3 t) x t) 3 alkalmas C számmal, ahol x = x, x, x 3 ). Továbbá, d m x t) + m x t) ) = 0..) Lássuk be az impulzusmomentum megmaradás törvényét az. feladatban megadott differenciálegyenlet megoldására, azaz azt, hogy d xt) d ) = 0. Mutassuk meg, hogy az impulzusmomentum megmaradás törvényének a következő geometriai interpretációt lehet adni. Legyen { S i,j s, t) = Az x i s), x i s)) és x i t), x i t)) vektorok által kifeszített háromszög területe }, i, j 3, 0 s, t <. 3

S i,j s, t) Ekkor létezik a lim limesz, és ez minden 0 t < paraméterre ugyanaz a s t t s szám. Tekintsük azt a koordinátarendszert, melynek középpontja a súlypont, és az x és x koordináták a transzformált) feladat kezdeti feltételeiben megadott hely és sebességkoordinátékkal párhuzamosak. Lássuk be, hogy ebben a koordinátarendszerben az impulzusmomentum megmaradás törvénye a következő állítással ekvivalens. Az x t) pont pályája az x, x ) koordináták által kifeszített síkban van, és teljesíti Kepler második törvényét. A következő feladat tulajdonképpen az eddigi eredmények összefoglalása, illetve egy általánosabb a fizika megmaradási törvényei segítségével szintén megoldható feladat megfogalmazása. 3.) Mutassuk meg, hogy az s = m x t) + m x t) súlypont egyenesvonalú egyenletes m + m mozgást végez, és a koordinátarendszert a súlypontba helyezve, a kéttest probléma megoldásához a következő feladatot kell vizsgálni: x R, és d xt) = grad U x ), Ur) = C r. A következőkben általános Ux) síkbeli, forgásszimmetrikus) potenciálfüggvényt fogunk tekinteni. Célunk az impulzusmomentum és az energiamegmaradás törvény felírása és a feladat megoldása e két megmaradási törvény segítségével. Írjuk fel a az x = xt) pályáját polárkoordináta rendszerben. Legyen e = et) az xt) vektorral párhuzamos és egyirányú) e n = e n t) az e-re merőleges pozitív irányban elforgatott) egységvektor. Jelölje ϕ = ϕt) az xt) vektor és az abszcissza egyenes által közbezárt szöget. Ekkor xt) = rt)et), rt) = xt). 4.) Mutassuk meg, hogy det) = dϕt) e n t), de nt) d xt) d ) ) rt) dϕt) = rt) et) + = dϕt) et) drt) dϕt) + rt) d ϕt) ) e n t) 5.) Mutassuk meg, hogy M = rt) dϕt) nem függ t-től. Impulzusmomentum megmaradás törvénye.) 6.) Mutassuk meg, hogy 0 = drt) = d d rt) ) dϕt) rt) dur) dr ) ) drt) + M rt) Urt)). 4 r=rt) )

Ezért K = drt) ) + M Urt)) nem függ t-től. rt) 7.) Lássuk, hogy az utolsó összefüggés az energia megmaradás törvénye. Mutassuk meg, hogy v t) = dxt) ) ) ) drt) dϕt) drt) = + r t) = + M r t). 8.) Mutassuk meg a megmaradási törvények alapján, hogy dϕ dr = dϕ = Oldjuk meg a kéttest problémát. M r K + Ur) M M r ϕ) r 5

Néhány természetesen felvetődő általános matematikai probléma, melyeket az előbb tárgyalt fizikai kérdések vetnek fel.) Hogyan tudjuk kihasználni a megmaradási törvényeket? Bár ebből a feladatsorból nem derült ki, de az alaposan kidolgozott elmélet megmutatja, hogy fontos kérdés az, hogy a különböző megmaradó mennyiségek Poisson zárójele nullával egyenlő-e. Ezt is jobban meg kell érteni..) Milyen jelentősége van a mechanikai rendszer mozgását meghatározó Hamilton függvény szimmetriáinak? 3.) Hogyan lehet a mechanikai problémákat leíró differenciálegyenleteket átírni mozgó koordinátarendszerbe? Melyek a megengedett transzformációk és melyek ezek közül a leghasznosabbak? 4.) Mit lehet mondani a mechanika problémák stabilitásáról? Értsük meg, hogy periodikus pálya stabilitásának a vizsgálata lényegesen más lényegesen nehezebb) probléma, mint egy álló pont stabilitásának a vizsgálata. 5.) Bár ebben a feladatsorban nem merült fel, szintén hasznos megérteni a Hamilton Jacobi és Euler Lagrange egyenletek a mechanikai törvények megfogalmazása optimum elvek alapján) kapcsolatát. 6.) Hogyan lehet jellemezni azokat a differenciálegyenleteket, melyek a klasszikus mechanika mozgásait írják le? Pontosabban, a kérdés a következő: A Hamilton Jacobi differenciálegyenletek a következő alakúak: dx i = H, p i i =,..., n, dp i = H, x i i =,..., n, ahol xt) = x t),..., x n t), p t),..., p n t)) a rendszer leíró pont helye a a fázistérben a t időpontban, x,..., x n ) ennek a pontnak a hely és p,..., p n ) ennek a pontnak az impulzus koordinátái, a Hx, p) vagy Hx, p, t)) a rendszer Hamilton függvénye. Mely differenciálegyenletek jobboldala írható ilyen alakban alkalmas H Hamilton függvénnyel? Mely differenciálegyenletek írhatóak ilyen alakban megfelelő koordinátatranszformáció után? 6