Кіріспе
Сфералық денелердің гравитациялық тартылысы туралы мәлімдеме. Классикалық механикада қабық теоремасы сфералық симметриялы денелердің ішіндегі немесе сыртындағы объектілерге қолданылатын гравитациялық жеңілдетулерді ұсынады. Бұл теорема астрономияда ерекше маңызға ие. Исаак Ньютон қабық теоремасын дәлелдеп, былай айтты: Сфералық симметриялы дене сыртқы объектілерге гравитациялық әсер етеді, оның барлық массасы ортасындағы бір нүктеде шоғырланғандай. Егер дене шар тәрізді симметриялық қабық болса (яғни, қуыс шар болса), қабықтың ішіндегі кез келген объектіге, оның орнына қарамастан, ешқандай таза гравитациялық күш әсер етпейді. Сонымен қатар, тұрақты тығыздықтағы қатты шардың ішіндегі гравитациялық күш ортасынан қашықтыққа пропорционалды түрде өзгереді және масса ортасында симметрияға сәйкес нөлге жетеді. Бұны былай түсіндіруге болады: мұндай шардың ішіндегі, шар ортасынан қашықтықтағы нүктені қарастырыңыз. Қабық теоремасы (2) бойынша, үлкен радиустағы барлық қабықтарды ескермеуге болады. Бірақ бұл нүктені радиусы r болатын қалған шардың сыртында деп санауға болады, және (1) бойынша, осы шардың барлық массасы оның ортасында шоғырланған деп есептеуге болады. Қалған масса көлемге пропорционалды. r радиусындағы денеге әсер ететін гравитациялық күш кері квадрат заңына сәйкес пропорционалды болады, сондықтан жалқы гравитациялық әсер пропорционалды, демек, қашықтыққа сызықтық тәуелді. Бұл нәтижелер Ньютонның планеталар қозғалысын талдауында маңызды роль атқарды; олар бірден көзге көрінбейді, бірақ есептеу арқылы дәлелдеуге болады. (Гаусс заңы гравитация үшін теореманы тұжырымдаудың басқа жолын ұсынады.) Гравитациядан басқа, қабық теоремасы статикалық сфералық симметриялық заряд тығыздығы тудырған электр өрісін сипаттау үшін де қолданылуы мүмкін, немесе кері квадрат заңына бағынатын кез келген басқа құбылыс үшін де қолданылады. Төмендегі есептеулер гравитацияға бағытталған, бірақ нәтижелерді электростатикалық күшке оңай жалпылауға болады.
In classical mechanics, the shell theorem gives gravitational simplifications that can be applied to objects inside or outside a spherically symmetrical body. This theorem has particular application to astronomy. Isaac Newton proved the shell theorem and stated that:
A spherically symmetric body affects external objects gravitationally as though all of its mass were concentrated at a point at its center. If the body is a spherically symmetric shell (i. e., a hollow ball), no net gravitational force is exerted by the shell on any object inside, regardless of the object's location within the shell. A corollary is that inside a solid sphere of constant density, the gravitational force within the object varies linearly with distance from the center, becoming zero by symmetry at the center of mass. This can be seen as follows: take a point within such a sphere, at a distance from the center of the sphere. Then you can ignore all of the shells of greater radius, according to the shell theorem (2). But the point can be considered to be external to the remaining sphere of radius r, and according to (1) all of the mass of this sphere can be considered to be concentrated at its centre. The remaining mass is proportional to (because it is based on volume). The gravitational force exerted on a body at radius r will be proportional to (the inverse square law), so the overall gravitational effect is proportional to , so is linear in
These results were important to Newton's analysis of planetary motion; they are not immediately obvious, but they can be proven with calculus. (Gauss's law for gravity offers an alternative way to state the theorem.) In addition to gravity, the shell theorem can also be used to describe the electric field generated by a static spherically symmetric charge density, or similarly for any other phenomenon that follows an inverse square law. The derivations below focus on gravity, but the results can easily be generalized to the electrostatic force.
Кіріспе
70 және 71-таластарда масса тығыздығы тұрақты болатын, өте жұқа қабырғалы қуыс шардан бөлшекке әсер ететін күш қарастырылады. Шардың бетінің кішкентай бөлігінен бөлшекке әсер ететін күш, сол бөліктің массасына пропорционалды және бөлшектен оған дейінгі қашықтықтың квадратына кері пропорционалды. Бірінші талас бөлшектің шардың ішінде, екіншісі – сыртында жатқан жағдайды қарастырады. Геометриялық құралымдарда шексіз кішкентай шамаларды және лимиттеу процестерін қолдану оңай және әдемі, және ешқандай интегралдау қажеттілігін жояды. Олар Ньютонның "Principia" еңбегіндегі көптеген таластарды дәлелдеу әдісін жақсы көрсетеді. Оның 70-таласты дәлелдеуі өте қарапайым. Бұдан кейін ол Ньютон көрсеткенге қарағанда сәл толықрақ қарастырылады. 71-таласты дәлелдеудің тарихи маңызы зор. Ол, қатты шардың сыртындағы бөлшекке әсер ететін гравитациялық күш, шардың центрінен оған дейінгі қашықтықтың квадратына кері пропорционалды екенін дәлелдеуінің бірінші бөлігін құрайды, егер шардың ішіндегі кез келген нүктедегі тығыздық тек шардың центрінен оған дейінгі қашықтығының функциясы болса. Төмендегілер Ньютонның дәлелдемелеріне толыққанды сәйкес келеді, бірақ оларды түсініктірек ету үшін шамалы өзгерістер енгізілді.
Құрғақ сфераның ішіндегі нүктеге әсер ететін күш
2-сурет – ойыс шардың центрі арқылы жасалған қимасы, S және шардың ішіндегі кез келген нүкте P. P нүктесі арқылы KPL бұрышы өте кішкентай болатындай IL және HK екі түзу сызығы жүргізілсін. JM – бұл P нүктесі арқылы өтетін және осы бұрышты екіге бөлетін түзу. Шеңберге ішкі бұрыш теоремасы бойынша IPH және KPL үшбұрыштары ұқсас. KH және IL түзулері JM осінің айналысында айналып, шарды екі жабық қисықпен қиып өтетін екі конус құрайды. 1-суретте шар PE түзуі бойымен алыстан көрінеді және екі қисықты да көруге болатындай мөлдір деп есептелінеді. Конус пен жазықтықтың қиылысы эллипс болғандықтан, осы жағдайда қиылыстар IH және KL негізгі өстері бар екі эллипс құрайды, ал ұқсас аргумент бойынша кіші өстері де бірдей қатынаста болады. Бұл шарды жоғарыдан қарағанда анық көрінеді. Сондықтан екі эллипс ұқсас, демек олардың аудандары олардың негізгі өстерінің квадраттарына пропорционал. Кез келген бет бөлігінің массасы осы бөліктің ауданына пропорционалды болғандықтан, екі эллипстік аудан үшін олардың массаларының қатынасы да сондай болады. P нүктесіне эллипстік ауданның кез келгенінен JM бағытында әсер ететін тартылу күші, ауданның массасына тура пропорционал және одан P нүктесіне дейінгі қашықтықтың квадратына кері пропорционал, сондықтан ол P нүктесінің шардан қашықтығына тәуелсіз. Демек, екі инфинитезимальды эллипстік ауданнан P нүктесіне әсер ететін күштер тең және қарама-қарсы, ал JM бағытында таза күш жоқ. P нүктесінің орны және JM бағытының бағыты кез келген болғандықтан, қуыс шардың ішіндегі кез келген бөлшектің шардың массасынан таза күш сезінбейтіні шығады. Ескерту: Ньютон IH және KL доғаларын «өте кішкентай» деп сипаттайды, ал IL және HK түзулерімен шектелген аудандар кез келген пішінде болуы мүмкін, міндетті түрде эллипстік емес, бірақ олар әрқашан ұқсас болады.
Since the intersection of a cone with a plane is an ellipse, in this case the intersections form two ellipses with major axes IH and KL, where
By a similar argument, the minor axes are in the same ratio. This is clear if the sphere is viewed from above. Therefore the two ellipses are similar, so their areas are as the squares of their major axes. As the mass of any section of the surface is proportional to the area of that section, for the two elliptical areas the ratios of their masses
Since the force of attraction on P in the direction JM from either of the elliptic areas, is direct as the mass of the area and inversely as the square of its distance from P, it is independent of the distance of P from the sphere. Hence, the forces on P from the two infinitesimal elliptical areas are equal and opposite and there is no net force in the direction JM. As the position of P and the direction of JM are both arbitrary, it follows that any particle inside a hollow sphere experiences no net force from the mass of the sphere. Note: Newton simply describes the arcs IH and KL as 'minimally small' and the areas traced out by the lines IL and HK can be any shape, not necessarily elliptic, but they will always be similar.
Жалпы салыстырмалылық теориясындағы қабық теоремасы
Жалпы салыстырмалылық теориясында (GR) қабық теоремасының аналогы бар. Сфералық симметрия метриканың уақыттан тәуелсіз Шварцшильд геометриясына ие екенін білдіреді, тіпті орталық масса гравитациялық құлдырауға ұшыраса да (Misner және басқалар, 1973; Бирхофф теоремасына қараңыз). Метриканың түрі (геометриялық бірліктерді қолдана отырып, мұнда ). (кейбір массалық қабықтың радиусы болғанда) үшін масса бастапқы нүктеде дельта функциясы ретінде әрекет етеді. , массалық қабықтар сыртта болуы мүмкін, бірақ метриканың бастапқы нүктеде ерекшелік тудырмауы үшін метрикада нөл болуы керек. Бұл метриканы жалпақ Минковский кеңістігіне дейін қысқартады; демек, сыртқы қабықтар гравитациялық әсерге ие емес. Бұл нәтиже қара тесікке алып келетін гравитациялық құлдырауды және оның оқиғалар горизонтының сыртындағы және ішіндегі жарық сәулелері мен бөлшектердің қозғалысына тигізетін әсерін түсіндіреді (Хартл, 2003, 12-тарау).
(using geometrized units, where ). For (where is the radius of some mass shell), mass acts as a delta function at the origin. For , shells of mass may exist externally, but for the metric to be non singular at the origin, must be zero in the metric. This reduces the metric to flat Minkowski space; thus external shells have no gravitational effect. This result illuminates the gravitational collapse leading to a black hole and its effect on the motion of light rays and particles outside and inside the event horizon (Hartle 2003, chapter 12).