Я конструирую двумерный мир, но столкнулся с проблемой одной из фундаментальных сил, гравитации.
Сначала я попытался увидеть, что произойдет, если я просто воспользуюсь обычным законом всемирного тяготения. . Как выяснилось, у него есть проблема:
Рассмотрим человека, стоящего на краю «планеты» в 2D. затем область, окрашенная в зеленый цвет, оказывает на вас влияние (я сделал объекты с площадью массой, чтобы эта концепция работала в моем 2D-мире):
Теперь рассмотрим другую область с такой же формой внутри этой:
Он только что расстояние, тем самым в четыре раза больше гравитации. Но это также только что области, и, следовательно, общее гравитационное воздействие, подобное зеленой зоне. Я могу продолжать складывать эти области с суммой 1+1+1+1... Тогда каждое ребро становится черной дырой!
Тот же аргумент не работает для 3D, так как полуоболочки имеют влияние который не достигает бесконечности. (Вы можете получить этот результат сами, заметив, что ваша кожа не состоит из черных дыр).
Очевидно, тогда я должен выбрать другой показатель для , и это не может быть 2 или больше из-за аргумента полукруга, и оно не может быть 0 или меньше, так как это заставило бы всю вселенную схлопнуться в черную дыру.
Кроме того, я хочу, чтобы орбиты были периодическими, чтобы планетарные системы были стабильными. Я знаю не имеет периодических орбит, кроме как в особых случаях, но должны быть и другие возможности, кроме , в случае является периодическим.
Существует ли решение с периодическими орбитами для ?
Замкнутая орбита — это орбита, которая является точно периодической , т. е. точно возвращается к своей исходной конфигурации . Теорема Бертрана утверждает, что существует только два радиальных скалярных потенциала со свойством, что все ограниченные орбиты являются замкнутыми орбитами: Первый — это известный нам закон обратных квадратов. Второй - радиальный гармонический осциллятор.
Теорема Бертрана формулирует движение частиц в их лагранжевой форме (инвариант пути), а затем проводит анализ возмущений. Его закон показывает, что единственными возможными силами, которые могут привести к замкнутым орбитам, являются силы степенного закона (F = r ^ d), а затем демонстрирует, что только 2 значения для d фактически приводят к стабильным орбитам. Один приводит к закону обратных квадратов, а другой — к радиальному гармоническому осциллятору.
Как вы подозревали, другие силы могут создавать замкнутые орбиты, но они нестабильны. Если вы возмущаете их в радиальном направлении, они разрушаются или уходят в бесконечность. В качестве альтернативы они могут генерировать стабильные незамкнутые орбиты. Эти орбиты демонстрируют прецессию , создавая узор в форме цветка.
Спасибо Дэвиду З. за то, что нашел ссылку на вопрос Physics.SE , который указал мне на закон Бертрана.
Это увлекательный вопрос.
Закон всемирного тяготения Ньютона был выведен эмпирическим путем, и, насколько мне известно, никто не знает, почему он такой, какой он есть, или как он работает. Мы провели эксперименты, чтобы определить его точность, и такие вещи, как показатель степени 2 в знаменателе, настолько точны, что идея о том, что нет никаких причин, по которым это связано с трехмерной геометрией, кажется мне абсурдной, но это не обязательно делает ее таковой. .
Однако физики уже давно проводят параллель между электрической силой и гравитационной силой, потому что, во-первых, они интуитивно ощущаются схожими (оба имеют дело с объектами в пространстве, оказывающими силу друг на друга) и схожи их основные формулы.
Поэтому долгое время считалось, что их функции схожи по своей природе.
Теперь, если мы переставим некоторые члены в формуле электрической силы, мы увидим кое-что очень интересное.
Уравнение на самом деле содержит формулу площади поверхности сферы, имеющей один из двух зарядов в центре, а другой — на поверхности.
Так что нижеследующее является полностью спекулятивным, но, надеюсь, читатели научной фантастики будут им довольны.
Предполагая, что гравитация работает таким же образом, правильная формула для двумерного мира тогда будет включать длину окружности с одной массой в центре и другой на окружности. Итак, нам нужно изменить формулу Ньютона, умножив площадь поверхности и разделив вместо нее длину окружности.
The , а r recude в степени -1, так что это становится:
Что касается орбиты, то, учитывая, что все это дело чисто умозрительное, она должна быть достигнута, когда центростремительное ускорение равно ускорению свободного падения...
Что происходит всякий раз, когда v точно правильно, независимо от радиуса орбиты.
Бьюсь об заклад, этого достаточно для читателей научной фантастики.
Формула гравитации в основном такая же, как закон Гаусса для гравитации, разделенный на формулу площади поверхности сферы, умноженной на вторую массу. Площадь поверхности шара находится по формуле
Как в 3d, так и в 2d гравитационный поток не зависит от расстояния, поэтому в 2d сила гравитации будет иметь другое отношение к расстоянию между двумя объектами. Это означает, что единицы измерения гравитационной постоянной в 2d различны, поэтому мы можем использовать символ
Если вы хотите знать, какие орбиты дает это уравнение, я могу сказать вам, что я запускал симуляции с использованием этого уравнения, и оно дает орбиты в форме цветка.
В качестве конструктивного предложения вы могли бы заставить силу на больших расстояниях, но имеют короткодействующий поправочный член, из-за которого он падает до на коротких дистанциях. Это не выходит за рамки того, что разумно для физической силы.
Один из способов мотивировать это — представить, что ваш 2D-мир на самом деле является 3D, просто все в нем представляет собой плоскую форму, лежащую в одной плоскости, и все объекты в третьем измерении имеют толщину ровно один дюйм. Затем, если вы находитесь на расстоянии более нескольких дюймов от чего-либо, силы будут вести себя так, как вы описываете, но когда объекты приближаются, они будут притягиваться друг к другу, как обычные трехмерные объекты, и вы не получите расходящуюся сумму. Такую идею, вероятно, можно было бы сформулировать в терминах «свернутых» измерений а-ля теория струн, если бы вы захотели.
Если у вас есть минимальное расстояние между объектами (вызванное какой-то мелкомасштабной силой отталкивания), сумма конечна (вот почему у нас нет бесконечной гравитации, когда мы стоим «на» земле в 3D). Хотя это все еще может перейти к уровням черных дыр, если вы вообще добавите много массы с минимальными расстояниями размером с молекулу.
Хорошо известно, что орбиты не являются периодическими в двумерной Вселенной. См. книгу Plainiverse А. К. Дьюдни, она включает в себя детали физики, включая космическую станцию! Всем, кто интересуется двухмерными мирами, следует прочитать это.
Естественный спад — это в точности коэффициент распространения силы или отношение поверхности к внутренней части. Таким образом, вы не получаете бесконечные каскады.
Вы можете настроить спирографические орбиты, которые работают достаточно хорошо: компромисс между кинетической энергией и потенциальной энергией все еще работает, поэтому вы получаете орбитоподобную вещь с теми же границами пери- и апогея. Это просто не повторяется на месте на каждой орбите.
Я работаю над игрой-симулятором 2D уже более 5 лет, включающей ходьбу, интерактив, балансировку двуногих в ускорять гравитацию примерно в человеческих масштабах. Что касается вашего вопроса о стабильных орбитах, то поток заставил бы нас поверить, что он равен 1/R, как описано в «Планиверсе» Дьюдни. Но если вы делаете это как игру для развлечения, вы можете воспользоваться художественной лицензией (или придумать какую-нибудь теорию струн :), чтобы поддержать ее, и составить закон гравитации. Но что более важно, наряду с дисперсией потока 1/R связаны и другие параметры, такие как интенсивность звука. Я использовал 1 / в квадрате для этого. Потому что я не хочу идти 1 км, чтобы уйти от звука. То же самое с сопротивлением ветру. По той же причине, или вещи, даже в воде никогда не остановятся, и трудно грести на лодках или плавать. 2d-атомы отличаются, и вам не нужно предполагать, что модель Планиверса отошла от нашей теории, большая часть которой сделана в соответствии с тем, что мы наблюдаем. Вношу изменения ради погружения, Я доверяю движку Box2d, и, когда у вас есть небольшой монитор, даже если он отслеживает камеру, вы хотите, чтобы на нем было драматическое движение. Бомбы, я делаю
так что все не продувает.. но Шрапнель 1/R. Вы получите травму, как и другие.
но эй, забавное совпадение, но так случилось, что я изобрел топливопровод только сегодня. Девсман упомянул транспортные трубы. Ракеты на жидком топливе очень полезны, особенно если нет скорости убегания в гравитации 1/R. Дьюдни и его команда кое-что сделали неправильно, потому что у него не было симулятора 2DWORLD. Что касается жизни в 2д, ну жизнь "находит выход" - из Парка Юрского Периода.
Органы-молнии великолепны в биологии (мне нравится изобретать 2D-устройства, но я не думаю, что большинство детей, которые играют в эту игру, даже ценят это ... они просто хотят снести головы ардеанцам. Я думаю, это будет не протекает, может быть прочным и/или гибким (на 2d нет коробления) и пропускать сжатый газ, это выглядит так. Напряжение растягивает трубку, поэтому жидкости требуется высокое давление, если она поступает в камеру сгорания ракеты.В случае гравитации и других дисперсионных потоков я использовал , потому что, ну, вполне возможно, что материал теряет энергию, скажем, есть трение, темная материя, искривленные пространства. Забавно, кажется, что теоретики струн находят, что уравнения 2+1 — единственное, что они могут решить для квантовой гравитации, ТВО, теории струн… белых дыр и т. д. (все эти доклады о голографических принципах, я пытался читать статьи, но Я ничего не знаю и не думаю, что многие или вообще люди слишком уверены в теории гравитации в мире, который мы можем наблюдать.
Не стесняйтесь обращаться ко мне, если вы хотите поделиться идеями о моделировании.
[ ][]
[ ][]
Как насчет:
Замените 1,6 на любую константу между 1 и 2. Затем сделайте гравитационную «постоянную» не постоянной, в зависимости от расстояния. Точное выражение G(r) можно скорректировать в соответствии с конкретными потребностями вашей вселенной.
Я не знаю, даст ли это стабильную орбиту. Может быть, с некоторой корректировкой геометрии вселенной... Некоторые идеи см. в разделе Неевклидова геометрия .
Мне кажется, что в ваших расчетах того же гравитационного эффекта концентрических колец есть ошибка. Здесь я добавил сетку к вашей картинке:
Площадь зеленого кольца равна и гравитация . Для красного кольца я получаю гравитацию . Это тот же аргумент, что и в исходном вопросе.
Однако это скорее ошибка округления из-за того, что большая часть массы зеленого кольца на самом деле находится дальше от центра. Если вместо этого он разделен на два кольца:
Тогда общая сила тяжести по зеленым частям равна: что немного больше предыдущего . Не очень убедительно.
Формируя фактический интеграл, я получаю силу тяжести в центре:
Таким образом, проблем будет не больше, чем в случае 3D с очень тонким и очень плотным диском. Но, конечно, возможно, что я ошибся в своих расчетах, и ваши первоначальные были правильными.
Как насчет бритвы Оккама?
Я только что начал читать книгу под названием «Толкающая гравитация», которая восходит к теориям и идеям Лесажа, которые нравились самому Ньютону.
Ле Саж предположил, что мельчайшие частицы движутся во всех направлениях с очень высокой скоростью, и когда они сталкиваются с материей, они заставляют два тела А и В ускоряться навстречу друг другу, потому что А затеняет часть дождя частиц (или волн/эфира/чего-либо), движущихся из A к B (и наоборот), что приводит к чистому общему толчку B к A (и наоборот).
Закон обратных квадратов расстояния тогда легко объясним: если квадрат, который покрывает часть неба перемещается на вдвое большее расстояние, чем она покроет площадь . Тень меньше так толчка (гравитации).
Площадь в этом смысле означает сумму отдельных атомов/электронов, т.е. массу.
Таким образом, для вашего 2D-мира, если расстояние до объекта уменьшается вдвое, его новая «область тени» будет увеличена в 2 раза, а не в 4 раза, как в 3D. Это работает для вас?
Райан Унгер
Дэвид З.
Сербан Танаса
Спросите о Монике
Дэвид З.