3 + O. 1 + r r 0. 0r 3 cos 2 θ 1. r r0 M 0 R 4

Σχετικά έγγραφα
) z ) r 3. sin cos θ,

dx cos x = ln 1 + sin x 1 sin x.

dv 2 dx v2 m z Β Ο Γ

GMR L = m. dx a + bx + cx. arcsin 2cx b b2 4ac. r 3. cos φ = eg. 2 = 1 c

Το βαρυτικό πεδίο της Γης.

ΦΥΕ 14 6η ΕΡΓΑΣΙΑ Παράδοση ( Οι ασκήσεις είναι ϐαθµολογικά ισοδύναµες)

L 2 z. 2mR 2 sin 2 mgr cos θ. 0 π/3 π/2 π L z =0.1 L z = L z =3/ 8 L z = 3-1. V eff (θ) =L z. 2 θ)-cosθ. 2 /(2sin.

Ηλεκτρομαγνητισμός. Ηλεκτρικό πεδίο νόμος Gauss. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

γ /ω=0.2 γ /ω=1 γ /ω= (ω /g) v. (ω 2 /g)(x-l 0 ) ωt. 2m.

ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΛΞΗ ΘΕΩΡΙΑ & ΑΣΚΗΣΕΙΣ

m 1 m 2 2 (z 2 + R 2 ). 3/2

L = T V = 1 2 (ṙ2 + r 2 φ2 + ż 2 ) U (3)

GMm. 1 2GM ) 2 + L2 2 + R L=4.5 L=4 L=3.7 L= 1 2 =3.46 L= V (r) = L 2 /2r 2 - L 2 /r 3-1/r

A = a 2 r 2 sin θ cos θ, r < R. C 1 ln ϖ + C 2. ( ) r = R. 2 A 2 = 0.

sin(30 o ) 4 cos(60o ) = 3200 Nm 2 /C (7)

Βαρύτητα Βαρύτητα Κεφ. 12

Εργασία 2. Παράδοση 20/1/08 Οι ασκήσεις είναι βαθμολογικά ισοδύναμες

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ. ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέµβριος 2004

P n ( x) = ( 1) n P n (x), P n (x)p l (x)dx = 2. P n (x)dx =

Κεφάλαιο Η2. Ο νόµος του Gauss

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11. Παγκόσµια έλξη

ΦΥΣΙΚΗ Ι. ΤΜΗΜΑ Α Ε. Στυλιάρης

Κεφάλαιο 8. Βαρυτικη Δυναμικη Ενεργεια { Εκφραση του Βαρυτικού Δυναμικού, Ταχύτητα Διαφυγής, Τροχιές και Ενέργεια Δορυφόρου}

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέμβριος 2012

Κλασική Ηλεκτροδυναμική Ι

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3//7/2013 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Reynolds. du 1 ξ2 sin 2 u. (2n)!! ( ( videos/bulletproof-balloons) n=0

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ Ο ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ GAUSS

ΣΧΟΛΗ ΕΜΦΕ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗ ΙΙ (ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Ι) η ΣΕΙΡΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ, Αγωγοί Διηλεκτρικά. Ν. Τράκας, Ι. Ράπτης Ζωγράφου 27.3.

mv V (x) = E με V (x) = mb3 ω 2

ΣΧΟΛΗ ΕΜΦΕ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗ ΙΙ (ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Ι) η ΣΕΙΡΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ. Ν. Τράκας, Ι. Ράπτης 2/4/2018

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Πτυχιακή εξέταση στη Μηχανική ΙI 20 Σεπτεμβρίου 2007

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΜΑΖΑΣ ΘΕΣΗΣ ΚΕΝΤΡΟΥ ΜΑΖΑΣ ΡΟΠΗΣ ΑΔΡΑΝΕΙΑΣ ΣΩΜΑΤΩΝ

Φυσική για Μηχανικούς

O y. (t) x = 2 cos t. ax2 + bx + c b 2ax b + arcsin. a 2( a) mk.

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική Ι 20 Οκτωβρίου 2011

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Μηχανική Ι 17 Φεβρουαρίου 2015

Φυσική για Μηχανικούς

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΠΗΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ

Φυσική για Μηχανικούς

Ηλεκτρομαγνητισμός. Ηλεκτρικό δυναμικό. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ GAUSS ΚΕΦ.. 23

k ) 2 P = a2 x 2 P = 2a 2 x y 2 Q = b2 y 2 Q = 2b 2 y z 2 R = c2 z 2 R = 2c 2 z P x = 2a 2 Q y = 2b 2 R z = 2c 2 3 (a2 +b 2 +c 2 ) I = 64π

Εξίσωση Laplace Θεωρήματα Μοναδικότητας

( Barbero 2013, European Journal of Physics, 34, df (z) dz

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα. ΔΙΑΛΕΞΗ 09 Ροπή Αδρανείας Στροφορμή

Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια

Δομή Διάλεξης. Ορισμός Ηλεκτρικού Δυναμικού και συσχέτιση με το Ηλεκτρικό Πεδίο

E = 1 2 k. V (x) = Kx e αx, dv dx = K (1 αx) e αx, dv dx = 0 (1 αx) = 0 x = 1 α,

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

website:

= 0, dp 1 (cos θ) = sin θ, dp 2(cos θ) = 3 sin θ cos θ. B = , r R

ΑΡΧΗ 1ΗΣ ΣΕΛΙΔΑΣ. ΘΕΜΑ 1 ο Στις ερωτήσεις 1-4 να γράψετε τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση.

Πρόβλημα 4.9.

Εφαρμογές Νόμος Gauss, Ηλεκτρικά πεδία. Ιωάννης Γκιάλας 7 Μαρτίου 2014

ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ

Εισαγωγή στις Φυσικές Επιστήμες ( ) Ονοματεπώνυμο Τμήμα ΘΕΜΑ 1. x x. x x x ( ) + ( 20) + ( + 4) = ( + ) + ( 10 + ) + ( )

Δυναμική Ενέργεια σε Ηλεκτρικό πεδίο, Διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού. Ιωάννης Γκιάλας 14 Μαρτίου 2014

(x(x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2,y(x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2,z(x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2) =0 x y z. div A =0

ιανυσµατικά πεδία Όπως έχουµε ήδη αναφέρει ένα διανυσµατικό πεδίο είναι µια συνάρτηση

Ασκήσεις 6 ου Κεφαλαίου

Φυσική για Μηχανικούς

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική I 16 Φεβρουαρίου, 2011

Φυσική για Μηχανικούς

ds ds ds = τ b k t (3)

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Μηχανική Ι 22 Ιανουαρίου, 2019

Ορίζοντας την δυναμική ενέργεια σαν: Για μετακίνηση του φορτίου ανάμεσα στις πλάκες: Ηλεκτρικό Δυναμικό 1

Ενότητα 4: Κεντρικές διατηρητικές δυνάμεις

( 1) ,, r > R H = 2 arctan s c. s c. I ρn z 2. P 0 (u) = 1, P 1 (u) = u. M =M M = M. c k. s ln ( u 2 + c 2) du = s ln ( s 2 + c 2) 2s + n=0

ΕΝΟΤΗΤΑ 1.2: ΑΠΛΗ ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ (ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ, ΑΡΧΙΚΗ ΦΑΣΗ, ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΑΤΗΡΙΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ, ΟΡΜΗ) 2ο set - μέρος Α - Απαντήσεις ΘΕΜΑ Β

Φυσική για Μηχανικούς

πάχος 0 πλάτος 2a μήκος

1η Εργασία στο Μάθημα Γενική Φυσική ΙΙΙ - Τμήμα Τ1. Λύσεις Ασκήσεων 1 ου Κεφαλαίου

P H Y S I C S S O L V E R ΛΥΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Ι ΛΥΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ Ι. Σχολή Αγρονόμων & Τοπογράφων Μηχανικών ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΔΟΙ

lim Δt Δt 0 da da da dt dt dt dt Αν ο χρόνος αυξηθεί κατά Δt το διάνυσμα θα γίνει Εξετάζουμε την παράσταση

1.1. Διαφορική Εξίσωση και λύση αυτής

F mk(1 e ), όπου k θετική σταθερά. Στο όχημα ασκείται

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

2. Οι νόµοι της κίνησης, οι δυνάµεις και οι εξισώσεις κίνησης

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Φεβρουάριος 2004

ΠΡΟΩΘΗΣΗ ΠΥΡΑΥΛΩΝ. Η προώθηση των πυραύλων στηρίζεται στην αρχή διατήρησης της ορμής.

< F ( σ(h(t))), σ (h(t)) > h (t)dt.

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΙΙ ιδάσκων : Ε. Στεφανόπουλος 12 ιουνιου 2017

Εισαγωγή στις Φυσικές Επιστήμες ( ) Ονοματεπώνυμο Τμήμα

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Φεβρουάριος 2013

ΕΝΟΤΗΤΑ 1.2: ΑΠΛΗ ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ (ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ, ΑΡΧΙΚΗ ΦΑΣΗ, ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΑΤΗΡΙΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ, ΟΡΜΗ) ΛΥΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΜΑ Β

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ- ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ- ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΜΑΘΗΜΑ: ΚΛΑΣΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι(ΤΜΗΜΑ ΑΡΤΙΩΝ) ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Αν. Καθηγητής Ι.

Ασκήσεις κέντρου μάζας και ροπής αδράνειας. αν φανταστούμε ότι το χωρίζουμε το στερεό σώμα σε μικρά κομμάτια, μόρια, μάζας m i και θέσης r i

Κεφάλαιο 6β. Περιστροφή στερεού σώματος γύρω από σταθερό άξονα

Φυσική για Μηχανικούς

Το ελαστικο κωνικο εκκρεμε ς

Προτεινόμενο διαγώνισμα Φυσικής Α Λυκείου

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ - Ενότητα 5

Ασκήσεις 2 ου Κεφαλαίου, Νόμος του Gauss

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΚΕΦΑΛΑΙΑ 3,4. Συστήµατα ενός Βαθµού ελευθερίας. k Για E 0, η (1) ισχύει για κάθε x. Άρα επιτρεπτή περιοχή είναι όλος ο άξονας

Ηλεκτρική ροή. Εμβαδόν=Α

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ. Επικαμπύλια και Επιφανειακά Ολοκληρώματα. Γ.1 Επικαμπύλιο Ολοκλήρωμα

Transcript:

Μηχανική Ι Εργασία #7 Χειμερινό εξάμηνο 8-9 Ν. Βλαχάκης. (α) Ποια είναι η ένταση και το δυναμικό του βαρυτικού πεδίου που δημιουργεί μια ομογενής σφαίρα πυκνότητας ρ και ακτίνας σε όλο το χώρο; Σχεδιάστε την g() και μέσω αυτού του γραφήματος και μόνο σχεδιάστε την Φ() (χωρίς να χρησιμοποιήσετε την μαθηματική σχέση που βρήκατε για το δυναμικό). (β) Αν εντός της σφαίρας υπάρχει μια σφαιρική οπή ακτίνας της οποίας το κέντρο βρίσκεται σε θέση D από το κέντρο της σφαίρας, βρείτε την ένταση του βαρυτικού πεδίου στο εσωτερικό της. Υπόδειξη: Θεωρήστε την οπή σαν προσθήκη αρνητικής μάζας και χρησιμοποιήστε την αρχή της επαλληλίας.. Ομογενής ράβδος μάζας M και μήκους L καταλαμβάνει τον χώρο L x L του άξονα x. (α) Βρείτε την ένταση του βαρυτικού πεδίου που δημιουργεί στα σημεία του άξονα x με x > L. (β) Μια δεύτερη ίδια ράβδος βρίσκεται στον χώρο D L x D + L του άξονα x, όπου D > L. Ποια η δύναμη μεταξύ τους; Εχουμε το αναμενόμενο αποτέλεσμα αν D L;. Σώμα μάζας M ακτίνας κινείται στο βαρυτικό πεδίο σώματος M που βρίσκεται σε απόσταση. (α) Εστω σφαιρικές συντεταγμένες στο σύστημα αξόνων με αρχή το κέντρο του M και άξονα ẑ προς το κέντρο του M. Δείξτε ότι το δυναμικό λόγω της βαρύτητας του M κοντά στο M γράφεται Φ = GM [ + cos θ + cos θ ( )] + O. (β) Δείξτε ότι η ένταση είναι g a + g παλ όπου a = GM ẑ και η ένταση του παλιρροϊκού πεδίου είναι g παλ = GM ( cos θ ˆ ) sin θ cos θ ˆθ. (γ) Σχεδιάστε σε διάφορα σημεία της επιφάνειας του M τις συνιστώσες του g παλ πάνω και κάθετα στην επιφάνεια, καθώς και το ίδιο το g παλ. (δ) Εστω το σώμα M είναι ένας πλανήτης πλήρως καλυμμένος από στρώμα νερού. Ο όγκος του νερού θα κινείται λόγω της παλιρροϊκής δύναμης και έστω ακαριαία ισορροπεί σε μια επιφάνεια που διαφέρει λίγο από την σφαιρική, = ( + ζ) με ζ. Αν η μετακίνηση αυτή δεν αλλάζει σημαντικά το βαρυτικό πεδίο του M αιτιολογήστε γιατί το σχήμα ισορροπίας θα είναι ισοδυναμική GM GM cos θ = σταθερά. π Βρείτε διαταρακτικά την ζ(θ), την σταθερά από την συνθήκη ζ sin θ dθ = που προκύπτει απαιτώντας ο όγκος του νερού να είναι σταθερός και δείξτε ότι προκύπτει ελλειπτικό σχήμα = + M 4 cos θ, M ( ) z ( ) ϖ M 4 ή ισοδύναμα + = με a = +, b = M 4. a b M M Δίνεται το ανάπτυγμα = ɛ l P ɛµ + ɛ l (µ) για ɛ, µ <, όπου P l (µ) = d l l l! dµ l (µ ) l τα πολυώνυμα Legende P (µ) =, P (µ) = µ, P (µ) = µ,..., οπότε = < l > l+ P l (µ), όπου > = max{, }, < = min{, } και µ =.

Λύσεις Εργασία #7. (α) Λόγω συμμετρίας είναι g = g()ˆ. Από ολοκληρωτικό νόμο Gauss σε σφαίρα ακτίνας < είναι 4πGρ 4π g = 4πGρ. Ομοια σε σφαίρα ακτίνας > είναι 4πGρ. Άρα g = 4πGρ αν, g d a = 4πG g d a = 4πG ρ dτ g 4π ρ dτ g 4π = = 4πGρ 4π g = 4πGρ ˆ αν. Τα ίδια προκύπτουν από την διαφορική μορφή του νόμου Gauss g = 4πGρ( ), η οποία για g = g()ˆ γράφεται d( g) d = 4πGρ(). Για < έχει λύση g = 4πGρ d = 4πGρ + C g = 4πGρ + C. Η σταθερά μηδενίζεται για να μην απειρίζεται η ένταση στο κέντρο, άρα g = 4πGρ. Για d( g) > είναι = g = D με την σταθερά D να καθορίζεται από την συνέχεια της g στην ακτίνα d (η οποία ισχύει γιατί δεν υπάρχει κάποια επιφανειακή μάζα). Άρα D = 4πGρ. Το δυναμικό βρίσκεται από Φ = g d = g d. 4πGρ Για > είναι Φ = d = 4πGρ + D. Η προσθετική σταθερά D είναι αυθαίρετη. Αν θέλουμε το δυναμικό να μηδενίζεται στο άπειρο είναι D =. Οπως αναμέναμε το δυναμικό έξω από την σφαίρα είναι Φ = GM όπου M = 4π ρ η συνολική της μάζα. 4πGρ Για < είναι Φ = d = πgρ + D. Η απαίτηση το δυναμικό να είναι συνεχές στην ακτίνα = δίνει την σταθερά D = πgρ. πgρ πgρ αν, Άρα Φ = 4πGρ αν. Ισοδύναμα, θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε το ορισμένο ολοκλήρωμα Φ = g d το οποίο συμπεριλαμβάνει την υπόθεση μηδενισμού του δυναμικού στο άπειρο. Ενας ( άλλος τρόπος θα ήταν να λύσουμε την εξίσωση Poisson Φ = 4πGρ, η οποία για Φ = Φ() γίνεται d dφ ) = 4πGρ(). Για < η ολοκλήρωση δίνει Φ = πgρ C + D. Η σταθερά C πρέπει να d d μηδενιστεί ώστε το δυναμικό να μην απειρίζεται στο κέντρο. Για > όπου ρ() = η ολοκλήρωση δίνει Φ = C + D. Η σταθερά D πρέπει να μηδενιστεί αν θέλουμε το δυναμικό να μηδενίζεται στο άπειρο. Οι υπόλοιπες σταθερές D και C βρίσκονται από την συνέχεια του δυναμικού και της παραγώγου του (δηλ. της έντασης) στην ακτίνα =.

Ενας άλλος τρόπος βασίζεται στο ότι ένα σφαιρικό κέλυφος μάζας dm και ακτίνας a δημιουργεί στο εξωτερικό του δυναμικό GdM/, ενώ στο εσωτερικό του το δυναμικό είναι σταθερό και ίσο με GdM/a λόγω συνέχειας στην ακτίνα = a. Ετσι το δυναμικό της ομογενούς σφαίρας σε ακτίνα < είναι άθροισμα GdM των συνεισφορών από κελύφη με μικρότερη ακτίνα = GM εγκ() = 4πGρ (M εγκ () είναι η έγκλειστη μάζα στην ακτίνα ) και συνεισφορών από κελύφη με μεγαλύτερη ακτίνα a >, πάχους da και μάζας dm = ρ 4πa GdM da, δηλ. = Gρ 4πada = πgρ( ). Ομοια για > είναι a Φ = GM εγκ() = GM. Από Φ = g d g = dφ κοιτώντας το διάγραμμα της g και ξεκινώντας από το άπειρο όπου d το δυναμικό μηδενίζεται, σκεφτόμαστε ποια συνάρτηση έχει κλίση ίση με g. (Ισοδύναμα το δυναμικό αντιστοιχεί στο εμβαδόν κάτω από την καμπύλη της g().) Επίσης, τα κοίλα της Φ καθορίζονται από το πρόσημο της g, είναι προς τα κάτω αν η g είναι φθίνουσα και προς τα πάνω αν η g είναι αύξουσα. Το ακρότατο της g αντιστοιχεί σε σημείο καμπής. Τέλος, όταν μηδενίζεται η g το δυναμικό είναι ακρότατο. g() Φ() (β) Ο νόμος Gauss είναι γραμμικός επομένως ισχύει η αρχή επαλληλίας, δηλ. αν μια κατανομή μάζας ρ ( ) δημιουργεί πεδίο g ( ) και μια κατανομή ρ ( ) δημιουργεί πεδίο g ( ) τότε η κατανομή ρ ( ) + ρ ( ) δημιουργεί πεδίο g ( ) + g ( ). Ας θεωρήσουμε την κατανομή της σφαίρας με την οπή σαν άθροισμα κατανομής με γεμάτη σφαίρα πυκνότητας ρ και μιας κατανομής μάζας με αρνητική πυκνότητα ρ στην θέση της οπής. Το πεδίο σε σημείο Σ στο εσωτερικό της μεγάλης σφαίρας είναι g = 4πGρ όπου =ΟΣ το διάνυσμα θέσης του σημείου από το κέντρο Ο της μεγάλης σφαίρας. Ομοια το πεδίο σε σημείο Σ στο εσωτερικό της μικρής σφαίρας είναι g = 4πG( ρ) όπου =Ο Σ το διάνυσμα θέσης του σημείου από το κέντρο Ο της μικρής σφαίρας. Από την αρχή της επαλληλίας, στο εσωτερικό της οπής, το οποίο αντιστοιχεί στο εσωτερικό και της μεγάλης και της μικρής σφαίρας, το πεδίο είναι g = g + g = 4πGρ (ΟΣ-Ο Σ)= 4πGρ ΟΟ, δηλ. το πεδίο είναι ομογενές, ίσο με g = 4πGρ D, όπου D το διάνυσμα από το κέντρο της σφαίρας μέχρι το κέντρο της οπής.. (α) Η στοιχειώδης ένταση από μήκος dx της ράβδου, που βρίσκεται στην θέση x και έχει μάζα Mdx /L είναι d g = GMdx /L +L GMdx [ ] +L /L GM/L ˆx, άρα g = ˆx = ˆx = GM (x x ) L (x x ) x x x L L ˆx. (β) Η στοιχειώδης δύναμη από την πρώτη σε μήκος dx της δεύτερης που βρίσκεται στην θέση x και έχει μάζα Mdx/L είναι df = g(x)mdx/l, άρα F D+L = g(x)mdx/l = ˆx GM D+L dx D L L D L x L =

ˆx GM D+L ( 4L D L x L ) dx = ˆx GM [ ] x L D+L ln x + L 4L = ˆx GM x + L D L 4L ln D D 4L. Για D L είναι F = ˆx GM 4L ln ( 4L /D ) ˆx GM διότι για μικρά ɛ είναι ln( + ɛ) ɛ. Αυτό είναι D το αναμενόμενο αποτέλεσμα που εκφράζει βαρυτική έλξη μεταξύ δύο σημειακών μαζών.. (α) Το δυναμικό για το πεδίο βαρύτητας του M σε σημείο με διάνυσμα θέσης από το κέντρο της μάζας M είναι Φ = GM ẑ. Χρησιμοποιώντας το δοσμένο ανάπτυγμα για <, οπότε < = και l > =, είναι Φ = GM P l (µ), όπου µ = ( ẑ) = cos θ. Δηλ. το δυναμικό σε σημείο l+ με σφαιρικές συντεταγμένες (, θ, φ) είναι Φ = GM πολυώνυμα Legende καταλήγουμε στην ζητούμενη. (β) Η σχέση g = Φ δίνει g GM ( cos θ) + ( l l+ P l (cos θ). cos ) θ. Αντικαθιστώντας τα πρώτα Ο πρώτος όρος ισούται με GM ẑ διότι cos θ = z και z = ẑ. Εκφράζει το πεδίο από το M στο κέντρο του M και ισούται με την επιτάχυνση a που αποκτά το M λόγω του ότι βρίσκεται στο πεδίο του M. Το ίδιο βρίσκεται από ( ( cos θ) cos θ) = ˆ + ( cos θ) ˆθ = cos θ ˆ sin θ θ ˆθ = ẑ. Ο δεύτερος όρος εκφράζει τις μικρές αποκλίσεις από την βαρύτητα a, δηλ. το παλιρροϊκό πεδίο g παλ. Είναι g παλ = GM ( cos ) θ. Εκφράζοντας την κλίση σε σφαιρικές συντεταγμένες βρίσκουμε g παλ = GM ( ˆ + θ ˆθ + ) ( sin θ φ ˆφ cos ) θ = GM ( cos θ ˆ ) sin θ cos θ ˆθ. (γ) Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται πάνω στην επιφάνεια του σώματος M οι συνιστώσες του g παλ (με κόκκινο οι εφαπτομενικές και με πράσινο οι ακτινικές), καθώς και το ολικό g παλ (μαύρα βέλη). ϖ O (δ) Η βαρυτική δύναμη ανά μάζα νερού από το σώμα M είναι GM ˆ και από το σώμα M είναι Φ a + g παλ. Στον νόμο Νεύτωνα πρέπει να προσθέσουμε και την υποθετική δύναμη ανά μάζα a διότι η αρχή του συστήματος αναφοράς (το κέντρο του σώματος M) επιταχύνεται με a λόγω της βαρύτητας από το M. z

Αυτή η υποθετική δύναμη ανά μάζα εξουδετερώνει τον όρο a του( Φ κι έτσι μένουν η βαρύτητα του M και η παλιρροϊκή δύναμη οι οποίες δίνουν δύναμη ανά μάζα GM GM cos ) θ. Αν ο όγκος του νερού ισορροπεί αυτή η δύναμη δεν πρέπει να έχει συνιστώσα παράλληλα στην επιφάνεια (κάθετα μπορεί να μην είναι μηδενική εξουδετερώνεται από δυνάμεις υδροστατικής πίεσης). Συνεπώς η επιφάνεια είναι ισοδυναμική GM GM P (cos θ) = C. Η ακτίνα είναι περίπου σταθερή και ίση με γιατί ο δεύτερος όρος είναι μικρός σε σχέση με τον πρώτο. Άρα και η σταθερά είναι περίπου ίση με GM/. Θέτοντας = ( + ζ), C = GM ( + δ) με ζ, δ και κρατώντας μέχρι πρώτης τάξης όρους ως προς ζ, δ, αλλά και ξ = M /M, βρίσκουμε (χρησιμοποιώντας το ανάπτυγμα ( + ɛ) ν + νɛ), ζ ξp (cos θ) δ. Αν μια σφαίρα αλλάξει σχήμα από = σε = (θ) η συνθήκη ο όγκος να μένει σταθερός είναι 4π = (θ) π π sin θ d dθ dφ π π ( + ζ) sin θ dθ = 4π π + π ζ sin θ dθ, άρα πρέπει να θ= φ= π π ισχύει ζ sin θ dθ = [ξp (cos θ) δ] sin θ dθ =. Αλλάζοντας μεταβλητή σε µ = cos θ είναι [ ] [ ] ξ µ δ dµ = ξ µ µ δµ = δ =. Ετσι προκύπτει ζ = ξp (cos θ), δηλ. σχήμα = + M 4 cos θ. Είναι ελλειπτικό, με κέντρο της M έλλειψης στο κέντρο του M, μεγάλο ημιάξονα a = θ= = + M 4 στην διεύθυνση προς το σώμα M και μικρό ημιάξονα b = θ=π/ = M 4 στην κάθετη διεύθυνση. M ( ) z ( ) ϖ ( ) ( ) ( ) Η σχέση + = ισχύει γιατί είναι ισοδύναμη με cos θ sin θ + = ( + a b a/ b/ ( ) ( ) ζ) cos θ sin θ + = ( + ζ) [ ( ξ) cos θ + ( + ξ) sin θ ] = ζ = ξp (cos θ). + ξ ξ/ M