Описание системы
Предположим, две точечные массы по одной в точке а другой по окружности окружности радиусом . Они гравитационно притягиваются друг к другу и никакие внешние силы на них не действуют. Масса точки в точке C имеет очень большую массу, так что она находится в ЦМ системы, состоящей из обеих частиц, и ЦМ покоится. Масса точки вращается вокруг ЦМ с угловой скоростью . Зафиксируем нашу ось координат в одной точке на окружности и найдем момент количества движения обеих частиц по следующей формуле:
Вопрос
Ясно, что величина углового момента частицы на окружности задается следующим образом:
Это означает, что полный угловой момент системы равен:
Это уравнение, зависящее от времени, означает, что угловой момент является переменным, чего не должно быть, поскольку эта система является изолированной.
Я думаю, что поскольку закон сохранения момента импульса не может быть нарушен, значит, что-то не так с методом/выводом.
Так
Что я делаю не так, что делаю такой вывод?
Можно ли математически показать, что угловой момент сохраняется?
Вывод уравнения (1)
Величина углового момента в точке если дано
Здесь
Явно (через сумму Внутреннего угла треугольника)
Поэтому
Поэтому
Теперь (используя закон синусов)
Поэтому
Теперь подставив это в уравнение для мы получаем
Замена
Что я делаю не так, что делаю такой вывод?
Проблема в том, что даже если внутренняя масса довольно велика, она также будет иметь угловую скорость и, следовательно, угловой момент.
Можно ли математически показать, что угловой момент сохраняется?
Да, это. Следующая картинка говорит о многом. (Описание впереди):
Описание
Внешняя масса находится на расстоянии от ком и имеет линейный импульс как . Внутренняя масса имеет расстояние от центра и имеет линейный импульс . Здесь следует отметить две вещи:
Импульс каждой частицы не изменится, потому что
расстояние между двумя объектами всегда одинаково (т. ).
сила (здесь гравитационная) является центростремительной.
центр масс всегда находится между этими двумя на линии, соединяющей их. Поэтому угловая скорость , обеих частиц одинакова.
Теперь в центре масс системы отсчета:
Здесь вы можете видеть, что угловой момент системы не меняется со временем, поэтому он сохраняется. Обратите внимание, что вектор, указывающий из вашего экрана перпендикулярно плоскости. Кроме того, использование векторов облегчило бы задачу.
Также, поскольку положение центра масс в этой системе отсчета находится в начале координат:
[Это уравнение будет очень полезно в последней части вывода]
Теперь сместим ось в точку на орбите внешней частицы. Схема этикеток выглядит следующим образом:
Внутренняя частица
Вектор положения внутренней частицы со смещенной осью:
И
Теперь, проделав этот процесс аналогично для внешней частицы, получим:
Общий угловой момент дан кем-то:
Сейчас
Поэтому
Ясно, что это уравнение является постоянным, следовательно, это означает, что угловой момент сохраняется.
Я думаю, что это похоже на то, что мы изучаем в гравитации, которую довольно часто называют двойной звездной системой.
В том, что 2 тела некоторой массы вращаются вокруг своих неподвижных ЦМ. Это точно такой же случай, за исключением того, что одна из масс чрезвычайно велика.
Известно, что . Используя это, мы можем сначала доказать, что угловой момент сохраняется относительно ЦМ, поскольку скорости обеих масс постоянны. Также мы можем сказать, что так как скорость центра масс в этом случае равна нулю. Таким образом постоянн.
Таким образом, угловой момент относительно P должен сохраняться.
Я думаю, ваша ошибка была в том, что вы не учли массу в центре. Несмотря на то, что он имеет небольшую скорость, поскольку он имеет большую массу, он может иметь значение.
Еще одно, что я хотел бы добавить, это то, что, поскольку сила тяжести действует в паре, крутящий момент равен относительно любой оси. Это еще раз подтверждает сохранение углового момента.
Надеюсь это поможет!
Эта проблема серьезно надуманная. Гравитация не нужна, COM не требуется, чтобы понять основную концепцию.
Основная концепция заключается в том, что угловой момент — это не вектор, это псевдовектор. Истинные векторы не зависят от выбора начала координат, псевдовекторы: не так уж и много.
Рассмотрим шарик на кольце, движущийся с постоянной угловой скоростью: он имеет колеблющийся угловой момент относительно любой фиксированной точки на кольце. Существует «центральная» (для обруча) сила, которая все время удерживает бусину на обруче, но эта сила не является центральной в шаткой системе координат относительно фиксированной точки на обруче: она прикладывает крутящий момент (также псевдо- вектор), который удовлетворяет:
Обратите внимание, что угловой момент и крутящий момент также являются аксиальными векторами, но это связано с их положительной четностью и тем фактом, что, хотя они вращаются как векторы, они на самом деле являются антисимметричными тензорами ранга 2.
Самый простой способ, который я вижу, чтобы показать, что угловой момент не сохраняется в этой задаче, — это посмотреть на крутящий момент в системе. Если угловой момент сохраняется, то крутящий момент (производная момента импульса по времени) должен быть тождественно равен нулю.
Крутящий момент , используя векторы на вашей диаграмме. На обеих ваших диаграммах видно, что в данном положении векторы силы и положения не параллельны и не равны нулю. Следовательно, крутящий момент есть, а угловой момент не может сохраняться.
Как указывали другие, основная проблема заключается в вашем предположении, что более массивное тело настолько массивно, что оно не движется. Обе массы движутся, поэтому необходимо отслеживать угловой момент и крутящий момент на обеих. Сила на обоих одинакова, но в противоположных направлениях. Общий крутящий момент потому что линия между массами параллельна силам. Таким образом, крутящий момент тождественно равен нулю, и, таким образом, угловой момент сохраняется.
Обратите внимание, что когда вы включаете движение обеих масс, общий крутящий момент равен нулю, и фактическое положение оси координат не имеет значения. Это одна из характеристик законов сохранения. Хотя значение углового момента может быть разным при измерении в разных системах координат, оно не меняется ни в одной из них.
Читая начальную часть вопроса, я вспомнил свою первую лекцию по современной физике.
Посмотрите, что вы сказали в начале своего вопроса, это очень хорошее приближение для расчета параметров движения малого тела, но не для расчета углового момента системы.
См., что большее тело не останется в фиксированной точке (если оно не повернуто к точке, в этом случае угловой момент не может быть сохранен, так как будет внешний крутящий момент вокруг точки, в которой вы сохраняете угловой момент)
На самом деле большее тело будет двигаться с небольшой скоростью, но в этом случае его угловой момент не будет значительной величиной из-за его опережающей массы.
Вы можете увидеть, как он будет двигаться на картинке ниже.
Однако в этом случае тела сблизятся
О моем классе
этот случай особенно актуален при движении электрона вокруг протона, и причина, по которой в атоме электрон и протон не сближаются, заключается в том, что система имеет нулевой суммарный угловой момент, т. е. и протон, и электрон движутся по круговой орбите вокруг их связи и электростатического поля. притяжение к ним обоим используется для удержания их обоих на круговых орбитах и не сближает их.
Я прочитал все ответы выше и решил написать свой, так как в большинстве из них отсутствует полное лечение.
Мы знаем, что когда на точечную массу действует радиально-симметричный потенциал (как и в случае обычного гравитационного взаимодействия) момент импульса сохраняется, и это факт. Что произойдет, если я сдвину начало координат на вектор ? С точки зрения нового источника потенциал больше не является центральным, он явно сосредоточен в другой точке, и, следовательно, угловой момент, измеренный в этой системе отсчета, должен зависеть от времени. Как это зависит от времени? Измерение всего в новой системе отсчета (все величины в смещенном начале координат обозначены штрихом)
В приведенном выше уравнении угловой момент точки массы в исходной системе отсчета, но угловой момент в сдвинутой системе отсчета модифицируется членом, пропорциональным импульсу частицы.
Так что дает? Существует ли контекст, в котором сохранение углового момента не зависит от смещений в системе отсчета? Ответ, безусловно, да, но это происходит только тогда, когда общий импульс системы сохраняется. Представьте, что в системе есть какие-то точечные массы, тогда их СОВОКУПНЫЙ угловой момент преобразуется при сдвигах следующим образом:
что означает, что если общий импульс системы сохраняется, то полный угловой момент сохраняется в любой системе отсчета, независимо от начала.
Для кругового движения так как это перпендикулярные векторы и . Таким образом, угловой момент постоянен, следовательно, сохраняется. Крутящий момент относительно центра окружности отсутствует. Конечно, угловой момент не сохраняется по отношению к любому другому положению. Причина в том, что есть крутящий момент относительно любой другой точки, кроме центра, поскольку тогда r больше не параллелен f. Этот крутящий момент противоположен и равен крутящему моменту, действующему со стороны малой массы на большую. _total _ AM сохраняется независимо от выбора происхождения.
Джон Алексиу
пользователь65081
ДЖЭБ
пользователь 249968
пользователь65081
Рассел МакМахон
орел275
пользователь 249968
Анаксимандр
Рассел МакМахон
Рассел МакМахон