Чему равно ускорение координаты при чисто радиальном движении?

Как видно из этого ответа, а также из этой книги, глава 6, страница 6-10, выражение 22, когда вы падаете в радиальном направлении из состояния покоя на бесконечности, ваша скорость в координатном времени, как видно из удаленного наблюдателя, может быть описана как выражение:

г р г т "=" ( 1 р с р ) ( р с р ) 1 / 2 с

Если предположить» р ” быть реальным радиальным расстоянием, а не просто ”r-параметром координат Шварцшильда” это скорость в . Я хочу знать выражение для ускорения в зависимости от ” р " и " в ” для небольшого объекта массой м << М двигаясь чисто радиально внутрь или наружу от компактного сферически симметричного распределения массы в общем случае.

Взяв производную по «r» от приведенного выше выражения, я получаю:

г в г р "=" 0,5 р р с р ( 1 3 р с р ) с

Из этих двух выражений мы видим, что максимальная скорость равна в "=" 2 3 3 с в р "=" 3 р с . Из этого вывода, г в г т не должно быть так сильно, но это будет не общее выражение, а только ускорение чего-то, брошенного из состояния покоя на бесконечность. В координатах Шварцшильда радиальная скорость света равна в л я г час т "=" с ( 1 р с / р ) . В р "=" 3 р с это становится в л я г час т "=" 2 с / 3 поэтому, падая из состояния покоя на бесконечности, вы достигаете максимальной скорости, когда в / в л я г час т "=" 1 / 3 . Может быть, вы можете сказать, что гравитация становится отталкивающей всякий раз, когда вы движетесь к центру гравитационного поля быстрее, чем 1 / 3 раз превышает местную скорость света?

Вопрос : Как выглядит общее выражение для ускорения объекта в координатном времени для объекта, движущегося чисто радиально внутрь/наружу от центра гравитационного поля, предполагая сферически-симметричное невращающееся распределение массы, и что r-параметр координаты Шварцшильда - это реальное физическое расстояние?

Я ищу выражение для мгновенного ускорения в зависимости от «r» и «v».


Я знаю, что в слабых полях нашей Солнечной системы НАСА/Лаборатория реактивного движения использует это выражение для расчета ньютоновского плюс релятивистское ускорение:

г в ¯ г т "=" г М р 2 ( 1 4 г М р с 2 + в 2 с 2 ) р ^ + 4 г М р 2 ( р ^ в ^ ) в 2 с 2 в ^

Это основано на разложении первого порядка решения Шварцшильда в изотропных координатах. Для чистого радиального падения вы получаете:

г в ¯ г т "=" г М р 2 ( 1 4 г М р с 2 3 в 2 с 2 ) р ^
что становится отталкивающим всякий раз, когда вы приближаетесь к центральной массе быстрее, чем:

в "=" с 3 1 4 г М р с 2

Я надеюсь получить точное решение для чистого радиального ускорения в «координатном пространстве Шварцшильда» и координатном времени, подобное приближенному решению для чистого радиального ускорения, которое вы можете получить из уравнения НАСА.


Согласно ответу amateurAstro внизу выражение должно быть:

г в г т "=" г М р 2 ( 1 2 в 2 с 2 ( 1 2 г М р с 2 ) в 2 с 2 ( 1 2 г М р с 2 ) 2 )

Это соответствует начинке:

γ "=" 1 1 2 г М р с 2 в 2 с 2 ( ( 1 2 г М р с 2 ) ( р ^ в ^ ) 2 + | р ^ × в ^ | 2 ) 1 1 2 г М р с 2

в

г ( м γ в ¯ ) г т "=" г М м γ р 2

чтобы получить (по крайней мере, это верно для чисто радиального и чистого нерадиального движения):

г в ¯ г т "=" г М р 2 ( р ^ 2 в 2 ( р ^ в ^ ) в ^ с 2 ( 1 2 г М р с 2 ) в 2 ( р ^ в ^ ) в ^ с 2 ( 1 2 г М р с 2 ) 2 ( ( в ^ р ^ ) 2 + ( 1 2 г М р с 2 в 2 с 2 ) | в ^ × р ^ | 2 ) )
.

(Я пытаюсь найти зависящий от скорости член, который вместе с классическим ньютоновским ускорением должен точно воспроизводить орбиты Шварцшильда)

Можете уточнить. Полученное ниже выражение верно для объекта с полной энергией, равной м с 2 . Вы ищете выражение для частицы с произвольной энергией. И в чем разница между в ¯ и в ?
Когда вы сбрасываете объект с радиального расстояния, где радиальная скорость света составляет 0,8с, вы достигнете максимальной скорости позже. Если вы «бросаете» объект из бесконечности в сторону гравитационного поля, вы достигнете пиковой скорости раньше. v = | б а р в |. Некоторые говорят, что изменение координаты r во времени не является скоростью, поскольку «r» не является расстоянием в координатах Шварцшильда. Да, я ищу выражение для произвольной комбинации "r" и "dr/dt".
Составление выражения типа
г в ¯ г т "=" г М р 2 ( р ^ 3 в 2 с 2 ( 1 2 г М р с 2 ) 2 ( р ^ в ^ ) в ^ )
будет иметь нулевое ускорение для чистого радиального падения всякий раз, когда в "=" с 3 ( 1 2 г М р с 2 ) , то есть 1 / 3 умножить на местную скорость света, которая является точкой, в которой у вас есть нулевое ускорение в случае падения из бесконечности, который вы описали. Я ожидаю, что «истинное» выражение будет выглядеть примерно так.
Мне все еще не совсем ясно. Конечно, любое общее выражение нуждается в дополнительном параметре, определяющем (начальную) энергию объекта (если она больше, чем м с 2 ), или, альтернативно, радиус, из которого он сбрасывается (если он меньше, чем м с 2 )? Я видел такие выражения.
Я ищу выражение для мгновенного ускорения в зависимости от «r» и «v». При правильном выражении можно вычислить, с какой высоты был сброшен объект «назад».
Да я вижу. Если энергия м с 2 ускорение можно записать только как функцию р , но это не будет верно для общего случая.
Я чувствую себя обязанным завершить ответ сейчас. Я уверен, что смогу расшевелить версию с радиальным движением....

Ответы (2)

Как предложил Роб Джеффрис в комментарии, формулировка решения для произвольного dr/dt требует другого параметра, либо энергии на единицу массы, E/m, либо радиуса оболочки, в которую упал объект.

Оболочка наблюдателя на р 0 , видит объект, проходящий мимо с надлежащей радиальной скоростью в 0 , с соответствующей энергией / импульсом, измеренным в локальной системе отсчета Минковского (с использованием единиц с c = G = 1)

м 2 "=" Е 0 2 п 0 2 "=" Е 0 2 γ 0 2 м 2 в 0 2
Е 0 2 м 2 "=" γ 0 2 в 0 2 + 1 "=" в 0 2 1 в 0 2 + 1 "=" 1 1 в 0 2 "=" γ 0 2
где нижние индексы указывают локальные координаты оболочки. В координатах Шварцшильда энергия на единицу массы постоянна и определяется как
Е м "=" ( 1 2 М р ) г т г т
Из уравнений 11 и 12 в разделе 6.3 книги Тейлора, Уилера, Бертшингера (TWB), связанных с исходным вопросом.
Е 0 м "=" ( 1 2 М р 0 ) 1 / 2 г т г т
Е м "=" 1 2 М р 0 Е 0 м "=" γ 0 1 2 М р 0 "=" 1 2 М р 0 1 в 0 2
Уравнение для прямого радиального движения внутрь получается из раздела 8.4 TWB, уравнение 17, путем установки углового момента равным нулю и извлечения отрицательного корня .
( г р г т ) 2 "=" ( Е / м ) 2 ( 1 2 М р )
г р г т "=" г р г т г т г т "=" 1 2 М р Е / м г р г т
г р г т "=" ( 1 2 М р ) 1 1 2 М р ( Е / м ) 2
Дифференцирование и немного алгебры дают следующий результат для ускорения.
г 2 р г т 2 "=" 2 М р 2 ( 1 2 М р ) ( 1 3 2 1 2 М р ( Е / м ) 2 )
Их можно переписать в терминах радиуса Шварцшильда. р с "=" 2 М и собственная скорость, в 0 , в р 0 .
г р г т "=" ( 1 р с р ) 1 1 р с р ( Е / м ) 2 "=" ( 1 р с р ) 1 ( 1 в 0 2 ) 1 р с р 1 р с р 0

г 2 р г т 2 "=" р с р 2 ( 1 р с р ) ( 1 3 2 1 р с р ( Е / м ) 2 ) "=" р с р 2 ( 1 р с р ) ( 1 3 2 ( 1 в 0 2 ) 1 р с р 1 р с р 0 )

Для известных г р / г т в радиусе р , Е / м можно определить, обратив предыдущее выражение для г р / г т . Затем замените Е / м в уравнении для ускорения выше.

( Е / м ) 2 "=" ( 1 р с / р ) 3 ( 1 р с / р ) 2 ( г р г т ) 2

Альтернативный подход, сбрасывание объекта из состояния покоя на радиусе р 0 , использует уравнения 37 и 38 из раздела 6.7 TWB, в результате чего

г р г т "=" ( 1 р с р ) р с р р с р 0 1 р с р 0

г 2 р г т 2 "=" р с ( 1 р с р ) 2 р 2 ( 1 р с р 0 ) ( 1 + 2 р с р 0 3 р с р )

Радиус оболочки р 0 необходимо получить желаемую скорость на оболочке р 1 можно найти с помощью

Е 0 Е 1 "=" 1 р с р 1 1 р с р 0 "=" γ 0 γ 1
где γ 0 "=" 1 для предмета, выпавшего из состояния покоя в р 0 .

В качестве примера ниже показан график с использованием в 1 "=" 1 / 2 в р 1 "=" 2 р с . Для этих значений γ 1 "=" 2 / 3 , Е / м "=" 2 / 3 и р 0 "=" 3 р с . Для справки: зеленая и красная кривые — координатная скорость и ускорение Шварцшильда для объекта, брошенного из состояния покоя на бесконечность. Е / м "=" 1 . Пунктирные синяя и коричневая кривые относятся к объекту, брошенному из состояния покоя в р 0 , а также сплошные синие и коричневые кривые для объекта, запущенного из р 1 со скоростью Шварцшильда

( г р г т ) р 1 "=" ( 1 р с р 1 ) в 1 "=" 1 4
Обратите внимание, что пунктирные кривые перекрываются сплошными кривыми из р 1 к р с , так как начальные условия были выбраны таким образом, чтобы обеспечить одинаковую скорость при р 1 .введите описание изображения здесь

Теперь вы можете переписать четвертое полное строковое выражение снизу, чтобы получить выражение для р 0 как функция р и г р / г т .? Если вы замените р 0 в третьем выражении полной строки снизу ниже, я думаю, вы получите выражение для dv/dt как функцию р и г р / г т только не заботясь о "начальной высоте сброса"?
@Agerhell, я не думаю, что это предложение сработает. Обратите внимание, что р 0 в этом уравнении есть константа, выбранная так, что г р / г т - это конкретное значение на некотором меньшем радиусе, где объект падает из состояния покоя. Это не функция р и г р / г т . Если вам нужно ускорение для известного г р / г т в радиусе р , выражение для г р / г т из первого вывода выше можно инвертировать, чтобы найти Е / м . Затем этот результат можно использовать в уравнении ускорения. Я отредактировал свой ответ, чтобы добавить этот подход на основе вашего комментария.
Следуя вашим инструкциям, мне удалось найти именно то, что я искал. Спасибо! Если вы хотите, вы можете отредактировать окончательное выражение в своем ответе, чтобы оно выглядело еще лучше.

Редактировать: это только случай свободного падения из бесконечности; не общий случай. Необходимо добавить больше.

Ускорение можно записать как

г 2 р г т 2 "=" в г в г р "=" ( 1 р с р ) ( р с 2 р 2 ) ( 1 3 р с р ) с 2

Ускорение отрицательное (т. в становится более негативным) р > 3 р с , меняет знак на «замедление», когда р < 3 р с , достигает минимума, а затем возрастает до нуля при р "=" р с (но никогда не попадает туда с тех пор в 0 ).