УЧЕБНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАВИТАЦИИ (Ч. II) > Полезные советы
Тысяча полезных мелочей    

УЧЕБНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАВИТАЦИИ (Ч. II)

УЧЕБНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАВИТАЦИИ (Ч. II)

Борисов Ю.А. В отличие от традиционного, показан иной путь интегрирования для получения уравнения напряженности гравитационного поля в точке на удалении от модельного однородного шарообразного тела. Доказано его соответствие закону всемирного тяготения при проведении компьютерного суммирования. Обнаружено наличие максимального вклада элементов шарообразного тела в величину напряженности гравитационного поля в исследуемой точке вне этого тела. Получена аналитическая зависимость глубины положения этих элементов внутри шарообразного тела от высоты исследуемой точки над поверхностью тела и его радиуса. Статья в формате PDF 573 KB

Во второй части учебных исследований мы использовали интегрирование и вызванное необходимостью компьютерное суммирование, что поэтапно приведено ниже. В исследованиях принимали участие студенты В.А. Арефьева и В.В. Трутнева.

1. Рассмотрим кольцо радиуса r, которое имеет массу m. Найдем ускорение силы тяжести  или напряженность гравитационного поля, далее просто «напряженность», которую создает эта масса на расстоянии x от этого кольца на его оси [1]. Возьмем элемент кольца длиной dl, который имеет массу dm. Напряженность, создаваемая этим элементом

 (1)

Этот вектор можно разложить на две составляющие (рис 1).

 

Рис. 1

Составляющие  каждого из двух взаимно противоположных элементов взаимно уничтожаются. Тогда модуль

.

Составляющая

 (2)

Из (2) и (1) получим:

откуда:

 (3)

Это и есть напряженность в точке А, т.е gx = gA, или

 (4)

2. Рассмотрим диск радиусом К который имеет массу m и плотность ρ.

Определим модуль напряженности на оси диска в точке А gA как функцию расстояния x вдоль его оси (рис. 2). Пусть толщина диска b будет во много раз меньше его радиуса К. Диск разобьем на кольца. Кольцо радиуса r шириной dr имеет массу dm и создает напряженность dg. Тогда

 dm = ρdv = ρb2πr·dr. (5)

Из (4) и (5) получим:

 (6)

Из (6), проводя интегрирование, получим:

 (7)

 

Рис. 2

3. От диска перейдем к шарообразному однородному телу - модели планеты. Для расчета напряженности надо тело разбить на диски. Точка А находится на оси дисков на расстоянии h от поверхности шарообразного тела радиуса R. В формуле (7) b будет равно шагу суммирования, а при интегрировании b = dx. Радиус дисков K для шарообразного тела зависит от X. По рис. 3 выразим K:

K2 = R2 -a2; a = (x - h) - R;

откуда

K2 = R2 - [(x - h) - R]2 = R2 - (x - h - R)2.

Тогда формула (7) преобразуется:

 (8)

 

Рис. 3

Результатом интегрирования этого уравнения (по закону всемирного тяготения) должно быть:

 (9)

Но взять интеграл по уравнению (9) на данном этапе исследований мы не смогли, поэтому предприняли компьютерное суммирование в программе MS Excel, изложенное в пункте 4, что и привело к важному результату. Затем интеграл был взят, но ввиду большого объема изложения мы материал здесь не приводим.

4. Для суммирования использовали уравнение

 (10)

результат суммирования по которому сравнивали с результатом по уравнению:

 (11)

Расчет по уравнению (10) при шаге суммирования b = 1 мм, R = 45 мм, h = 25 мм и изменении x от x = h = 25 мм до x = h + 2R = 115 мм, G∙ρ = 1 значение (в условных единицах) gc = 77,975979 ед., а по формуле (11) gц = 77,898857 ед. При уменьшении шага суммирования точность повышается. Так при шаге суммирования b = 0,1 мм сравниваемые значения, уже будут gc = 77,898462 ед, gц = 77,898857 ед. Т.е. можно считать, что gc = gц. Далее, чтобы это доказать точнее, исследовали зависимость gc от h. Расчетные данные приведены в таблице и на рис. 4.

Из рис. 4 видно, что при нашей методике проведения суммирования - от дисков, наблюдается наличие максимального вклада gi max в значение напряженности (ускорения) от элементов сферического тела. Причем положение максимумов смещается к центру сферического тела при увеличении расстояния h. Как показывает анализ, положение этих дисков (рис. 5) определяется касательными, проведенными из точки А, или глубиной L от поверхности шарообразного тела на отрезке АC.

 

Рис. 4

Таблица: (при R = 32 мм, b = 2мм, G·ρ = 1)

h

0

16

32

48

64

h + R

32

48

64

80

96

(ф-ла 10)

gc

128,204

59,311

33,438

21,412

14,873

(ф-ла 11)

134,042

59,574

33,510

21,447

14,894

Разность

gц - gc

5,838

0,263

0,072

0,034

0,020

Из рис. 4 видно, что при нашей методике проведения суммирования - от дисков, наблюдается наличие максимального вклада gi max в значение напряженности (ускорения) от элементов сферического тела. Причем положение максимумов смещается к центру сферического тела при увеличении расстояния h. Как показывает анализ, положение этих дисков (рис. 5) определяется касательными, проведенными из точки А, или глубиной L от поверхности шарообразного тела на отрезке АC.

 

Рис. 5

Из рис. 5 можно получить, что величины h, L и R связаны уравнением:

 (12)

откуда можно определить

 (13)

Уравнение (12) удовлетворяет очевидным граничным условиям. Так, при h = 0 также L → 0. И это давно известно для Земли в общей физике и геодезии; а при h → ∞, или h >> R, L = R, т.е диск, определяющий gi max проходит через центр сферического тела, и имеет самый большой диаметр, поэтому дает максимальный вклад, что также является очевидным. Вывод уравнения (13) можно выполнить путем анализа экстремума уравнения (8).

Таким образом, использование компьютерного суммирования позволило обнаружить неизвестное ранее явление максимального вклада элементов модельного шарообразного однородного тела в величину напряженности гравитационного поля в исследуемой точке вне этого тела. Получена аналитическая зависимость глубины положения этих элементов внутри шарообразного тела от высоты исследуемой точки над поверхностью тела и его радиуса.

В целом, в отличии от традиционного показан иной путь интегрирования для получения уравнения напряженности гравитационного поля в точке на удалении от шарообразного тела. Уравнение соответствует закону всемирного тяготения, что доказывает правомерность использованного подхода.

В настоящее время [2-4] гравитационное поле планеты обычно представляют в виде шаровых функций, т.е. планету разбивают на шаровые поверхности. Массу каждой шаровой поверхности после интегрирования рассматривают сосредоточенной в ее центре. Интегрирование по объему планеты сводится к интегрированию шаровых поверхностей и приводит к сосредоточению массы планеты в ее центре, т.е. к традиционным представлениям о гравитационном поле планеты. Таким образом, обнаруженный нами эффект в литературе не рассматривается и является новым.

В геодезии различают два типа задач. Один тип - определение гравитационных хаpaктеристик поля планеты по структуре элементов Земли; другой тип - получение данных о структурных элементах Земли, например, поиск полезных ископаемых по данным гравитации. И это в большей мере используется для изучения лишь поверхностных структур Земли. Ранее такое изучение проводилось научными экспедициями. В том числе океанографическими (например, поиск нефти). Затем стали использовать ИСЗ. Полученные нами результаты помогут в проведении подобных исследований и в особенности глубинных структур Земли с помощью ИСЗ.

Список литературы

  1. Волькенштейн В.В. Сборник задач по общему курсу физики. - 3-е изд., испр. и доп. - СПб.: Книжный мир, 2007. - № 2. - С. 143.
  2. Пантелеев В.Л. Физика Земли и планет. МГУ им. М.В. Ломоносова. Физический факультет: курс лекций. - М., 2001. - http://www.astronet.ru/db/msg/1169697.
  3. Пантелеев В.Л. Теория фигуры Земли. МГУ им. М.В. Ломоносова. Физический факультет: курс лекций. - М., 2000. - http://www.astronet.ru/db/msg/1169819.
  4. Хмелевский В.К. Геофизические методы исследования земной коры. Ч.1. Международный университет природы, общества и человека. - Дубна, 1997. - http://www.astronet.ru/db/msg/1173309.


СТАНОВЛЕНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ УМЕНИЙ

СТАНОВЛЕНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ УМЕНИЙ Статья в формате PDF 145 KB...

08 04 2026 23:32:23

К ВОПРОСУ О ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКЕ ОДАРЕННЫХ ДЕТЕЙ И СРЕДСТВАХ РАЗВИТИЯ ОДАРЕННОСТИ

К ВОПРОСУ О ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКЕ ОДАРЕННЫХ ДЕТЕЙ И СРЕДСТВАХ РАЗВИТИЯ ОДАРЕННОСТИ Основная задача при работе с одаренными детьми заключается в том, чтобы поддержать в ребенке стремление к освоению высших ценностей, создать условия, в которых ребенок сможет строить свою личность самостоятельно, накапливать индивидуальный познавательный опыт. Физика наряду с другими фундаментальными науками дает возможность развивать творческие способности учащихся, навыки системного мышления. ...

07 04 2026 1:57:47

СУБТРОПИЧЕСКИЕ РАСТЕНИЯ ФЛОРЫ КАВКАЗА

СУБТРОПИЧЕСКИЕ РАСТЕНИЯ ФЛОРЫ КАВКАЗА Статья в формате PDF 121 KB...

05 04 2026 16:42:26

ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ Статья в формате PDF 129 KB...

31 03 2026 23:22:47

«КОНСУЛЬТАТИВНАЯ ПСИХОЛОГИЯ»

«КОНСУЛЬТАТИВНАЯ ПСИХОЛОГИЯ» Статья в формате PDF 344 KB...

20 03 2026 17:48:43

ПРОБЛЕМА МОТИВАЦИИ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИИ В ПОДГОТОВКЕ ШКОЛЬНЫХ УЧИТЕЛЕЙ

ПРОБЛЕМА МОТИВАЦИИ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИИ В ПОДГОТОВКЕ ШКОЛЬНЫХ УЧИТЕЛЕЙ В работе приводится анализ мотивации выбора профессии педагога на основе изучения профессиональной ориентации в группе студентов факультета дополнительных профессий СГПИ. ...

17 03 2026 4:20:51

ДИФРАКЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЯХ

ДИФРАКЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЯХ Статья в формате PDF 250 KB...

16 03 2026 8:13:28

МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ОСНОВЫ АУДИОГЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КРЫС С АБСАНСНОЙ ЭПИЛЕПСИЕЙ

В работе на созданных молекулярно-генетических моделях выявлена ассоциация генотипа А2/А2 локуса TAG 1A гена рецептора дофамина второго типа крыс с повышенной аудиогенной чувствительностью и увеличением удельной площади базолатеральной группировки миндалевидного комплекса по сравнению с крысами А1/А1. ...

12 03 2026 22:30:53

ИДЕНТИФИКАЦИЯ АТОМОВ ПРИМЕСИ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛА

ИДЕНТИФИКАЦИЯ АТОМОВ ПРИМЕСИ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛА На основе анализа электронной конфигурации примесных атомов в минералах, обладающих кристаллической структурой типа NiAs (например, пирротин), установлена корреляция плотности примесных атомов и катионных вакансий с электропроводностью и удельной намагниченностью минералов. Плотность катионных вакансий возрастает при увеличении суммарной плотности примесных атомов, при этом уменьшается электропроводность кристалла. Показано, что природа этих явлений – уменьшение концентрации электронов в зоне проводимости в результате захвата примесными атомами электрона вакансии. На основе расчетов плотности примеси исследованы свойства анионных примесных атомов и проанализирован механизм их изоморфного замещения ионов серы в структуре пирротина. Установлена связь магнитных свойств пирротина и содержанием золота в породе. ...

11 03 2026 10:20:59

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ Статья в формате PDF 119 KB...

10 03 2026 18:10:22

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭКОСИСТЕМ СЕВЕРА ПРИ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИИ

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭКОСИСТЕМ СЕВЕРА ПРИ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИИ На основе анализа природных условий залегания месторождений полезных ископаемых Якутии обоснованы основные группы геоэкологических факторов, влияющие на динамику и степень преобразования экосистем при недропользовании. Формы, масштабы воздействия на природную среду зависят от стадии развития горных работ, вовлеченности отдельных участков месторождения в разработку. ...

04 03 2026 2:39:47

Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::