IPhO 1989 · Theory problem 2
Three gravitating masses rotating as a rigid body
Three non-collinear points \(P_1\), \(P_2\) and \(P_3\), with known masses \(m_1\), \(m_2\) and \(m_3\), interact with one another through their mutual gravitational forces only; they are isolated in free space and do not interact with any other bodies. Let \(\sigma\) denote the axis going through the center-of-mass of the three masses, and perpendicular to the triangle \(P_1P_2P_3\). What conditions should the angular velocities \(\omega\) of the system (around the axis \(\sigma\)) and the distances:
\[ P_1P_2=a_{12},\qquad P_2P_3=a_{23},\qquad P_1P_3=a_{13}, \]
fulfill to allow the shape and size of the triangle \(P_1P_2P_3\) unchanged during the motion of the system, i.e. under what conditions does the system rotate around the axis \(\sigma\) as a rigid body?
Official English text of the problem.
Answers
- Problem 2: The triangle must be equilateral: \[ \boxed{a_{12}=a_{23}=a_{13}=a>0.} \] All three masses must rotate with the same constant angular velocity, whose magnitude satisfies \[ \boxed{\omega^2=\frac{G(m_1+m_2+m_3)}{a^3}.} \] Either sense of rotation is possible. These conditions are necessary and sufficient for any positive masses; the masses need not be equal.
Solution
Problem 2
Use Newton’s laws of motion and Newtonian gravitation for point masses. Define \[ M=m_1+m_2+m_3. \] There is no external force, so the center of mass moves uniformly. Work in an inertial frame in which it is at rest, and let \(\mathbf r_i\) be the position of \(P_i\) relative to it. Then \[ \sum_{i=1}^{3}m_i\mathbf r_i=\mathbf 0. \]
For rigid rotation about the perpendicular axis \(\sigma\), all three masses have a common angular velocity \(\boldsymbol\omega\). Their angular momentum about the center of mass is \[ \mathbf L=I\boldsymbol\omega, \qquad I=\sum_{i=1}^{3}m_i|\mathbf r_i|^2. \] The gravitational forces are internal and central, so their total torque vanishes and \(\mathbf L\) is conserved. Because a rigid triangle has constant \(I\), \(\boldsymbol\omega\) is constant. Consequently, \[ \ddot{\mathbf r}_i=-\omega^2\mathbf r_i. \]
Newton’s second law, after dividing by \(m_i\), therefore requires \[ -\omega^2\mathbf r_i = G\sum_{j\ne i} \frac{m_j}{a_{ij}^3}(\mathbf r_j-\mathbf r_i). \tag{1} \] The center-of-mass relation also gives \[ \sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -M\mathbf r_i. \tag{2} \] Substituting (2) into the left-hand side of (1) and rearranging, \[ \sum_{j\ne i}m_j \left(\frac{G}{a_{ij}^3}-\frac{\omega^2}{M}\right) (\mathbf r_j-\mathbf r_i)=\mathbf 0. \tag{3} \]
At each vertex, the two vectors pointing toward the other vertices are linearly independent, since the three points are non-collinear. Thus both coefficients in (3) must vanish. With positive masses, this implies, for every pair, \[ \frac{G}{a_{ij}^3}=\frac{\omega^2}{M}. \] Hence \[ a_{12}=a_{23}=a_{13}=a, \qquad \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \] This proves necessity.
To establish sufficiency, take an equilateral configuration of side \(a\). The gravitational acceleration of any mass is \[ \ddot{\mathbf r}_i = \frac{G}{a^3}\sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -\frac{GM}{a^3}\mathbf r_i. \] Thus its resultant gravitational force points toward the center of mass and provides exactly the centripetal acceleration required when \[ \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \]
Choose the initial velocities in the center-of-mass frame as \[ \dot{\mathbf r}_i(0) = \boldsymbol\omega\times\mathbf r_i(0), \qquad \boldsymbol\omega\parallel\sigma. \] The corresponding uniform rotation preserves the equilateral triangle and satisfies Newton’s equations at every time. The conditions are therefore sufficient as well. An arbitrary uniform motion of the center of mass may be added.
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1989 · Theorieaufgabe 2
Drei gravitativ wechselwirkende Massen, die wie ein starrer Körper rotieren
Drei nicht auf einer Geraden liegende Punkte \(P_1\), \(P_2\) und \(P_3\) mit bekannten Massen \(m_1\), \(m_2\) und \(m_3\) wechselwirken ausschließlich durch ihre gegenseitigen Gravitationskräfte; sie sind im freien Raum isoliert und wechselwirken mit keinen anderen Körpern. Mit \(\sigma\) sei die Achse bezeichnet, die durch den Schwerpunkt der drei Massen verläuft und senkrecht auf dem Dreieck \(P_1P_2P_3\) steht. Welche Bedingungen müssen die Winkelgeschwindigkeiten \(\omega\) des Systems (um die Achse \(\sigma\)) und die Abstände
\[ P_1P_2=a_{12},\qquad P_2P_3=a_{23},\qquad P_1P_3=a_{13}, \]
erfüllen, damit Form und Größe des Dreiecks \(P_1P_2P_3\) während der Bewegung des Systems unverändert bleiben, d. h., unter welchen Bedingungen rotiert das System wie ein starrer Körper um die Achse \(\sigma\)?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- Aufgabe 2: Das Dreieck muss gleichseitig sein: \[ \boxed{a_{12}=a_{23}=a_{13}=a>0.} \] Alle drei Massen müssen mit derselben konstanten Winkelgeschwindigkeit rotieren, deren Betrag die Beziehung \[ \boxed{\omega^2=\frac{G(m_1+m_2+m_3)}{a^3}.} \] erfüllt. Beide Drehrichtungen sind möglich. Diese Bedingungen sind für beliebige positive Massen notwendig und hinreichend; die Massen müssen nicht gleich sein.
Lösung
Aufgabe 2
Wir verwenden die Newtonschen Bewegungsgesetze und das Newtonsche Gravitationsgesetz für Punktmassen. Wir definieren \[ M=m_1+m_2+m_3. \] Es wirkt keine äußere Kraft, daher bewegt sich der Schwerpunkt geradlinig gleichförmig. Wir betrachten das System in einem Inertialsystem, in dem der Schwerpunkt ruht, und bezeichnen mit \(\mathbf r_i\) den Ortsvektor von \(P_i\) relativ zum Schwerpunkt. Dann gilt \[ \sum_{i=1}^{3}m_i\mathbf r_i=\mathbf 0. \]
Bei einer Rotation wie ein starrer Körper um die senkrechte Achse \(\sigma\) haben alle drei Massen eine gemeinsame Winkelgeschwindigkeit \(\boldsymbol\omega\). Ihr Drehimpuls bezüglich des Schwerpunkts ist \[ \mathbf L=I\boldsymbol\omega, \qquad I=\sum_{i=1}^{3}m_i|\mathbf r_i|^2. \] Die Gravitationskräfte sind innere Zentralkräfte, daher verschwindet ihr gesamtes Drehmoment und \(\mathbf L\) bleibt erhalten. Da bei einem starren Dreieck \(I\) konstant ist, ist auch \(\boldsymbol\omega\) konstant. Folglich gilt \[ \ddot{\mathbf r}_i=-\omega^2\mathbf r_i. \]
Nach Division durch \(m_i\) fordert das zweite Newtonsche Gesetz daher \[ -\omega^2\mathbf r_i = G\sum_{j\ne i} \frac{m_j}{a_{ij}^3}(\mathbf r_j-\mathbf r_i). \tag{1} \] Aus der Schwerpunktsbeziehung folgt außerdem \[ \sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -M\mathbf r_i. \tag{2} \] Setzt man (2) in die linke Seite von (1) ein und formt um, erhält man \[ \sum_{j\ne i}m_j \left(\frac{G}{a_{ij}^3}-\frac{\omega^2}{M}\right) (\mathbf r_j-\mathbf r_i)=\mathbf 0. \tag{3} \]
An jedem Eckpunkt sind die beiden Vektoren, die zu den anderen Eckpunkten zeigen, linear unabhängig, da die drei Punkte nicht auf einer Geraden liegen. Daher müssen beide Koeffizienten in (3) verschwinden. Für positive Massen folgt daraus für jedes Paar \[ \frac{G}{a_{ij}^3}=\frac{\omega^2}{M}. \] Somit gilt \[ a_{12}=a_{23}=a_{13}=a, \qquad \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \] Damit ist die Notwendigkeit bewiesen.
Um zu zeigen, dass die Bedingungen hinreichend sind, betrachten wir eine gleichseitige Anordnung mit der Seitenlänge \(a\). Die Gravitationsbeschleunigung jeder Masse ist \[ \ddot{\mathbf r}_i = \frac{G}{a^3}\sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -\frac{GM}{a^3}\mathbf r_i. \] Die auf sie wirkende resultierende Gravitationskraft zeigt also zum Schwerpunkt und liefert genau die erforderliche Zentripetalbeschleunigung, wenn \[ \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \]
Wir wählen die Anfangsgeschwindigkeiten im Schwerpunktsystem gemäß \[ \dot{\mathbf r}_i(0) = \boldsymbol\omega\times\mathbf r_i(0), \qquad \boldsymbol\omega\parallel\sigma. \] Die entsprechende gleichförmige Rotation erhält das gleichseitige Dreieck und erfüllt die Newtonschen Gleichungen zu jedem Zeitpunkt. Die Bedingungen sind daher auch hinreichend. Eine beliebige geradlinig gleichförmige Bewegung des Schwerpunkts kann überlagert werden.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1989 · Teori sorusu 2
Rijit bir cisim gibi dönen, kütleçekimiyle etkileşen üç kütle
Aynı doğru üzerinde bulunmayan, kütleleri bilinen ve sırasıyla \(m_1\), \(m_2\) ve \(m_3\) olan üç noktasal kütle \(P_1\), \(P_2\) ve \(P_3\), birbirleriyle yalnızca karşılıklı kütleçekim kuvvetleri aracılığıyla etkileşmektedir; bu kütleler serbest uzayda yalıtılmış durumdadır ve başka hiçbir cisimle etkileşmezler. Üç kütlenin kütle merkezinden geçen ve \(P_1P_2P_3\) üçgenine dik olan ekseni \(\sigma\) ile gösterelim. Sistemin hareketi boyunca \(P_1P_2P_3\) üçgeninin şeklinin ve boyutunun değişmeden kalması için sistemin (\(\sigma\) ekseni etrafındaki) \(\omega\) açısal hızları ve
\[ P_1P_2=a_{12},\qquad P_2P_3=a_{23},\qquad P_1P_3=a_{13}, \]
uzaklıkları hangi koşulları sağlamalıdır; başka bir deyişle, sistem hangi koşullar altında \(\sigma\) ekseni etrafında rijit bir cisim gibi döner?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- Soru 2: Üçgen eşkenar olmalıdır: \[ \boxed{a_{12}=a_{23}=a_{13}=a>0.} \] Üç kütlenin tümü, büyüklüğü \[ \boxed{\omega^2=\frac{G(m_1+m_2+m_3)}{a^3}.} \] bağıntısını sağlayan aynı sabit açısal hızla dönmelidir. Her iki dönme yönü de mümkündür. Bu koşullar, pozitif değerli her türlü kütle için gerekli ve yeterlidir; kütlelerin eşit olması gerekmez.
Çözüm
Soru 2
Noktasal kütleler için Newton'un hareket yasalarını ve Newton'un kütleçekim yasasını kullanalım. \[ M=m_1+m_2+m_3. \] olarak tanımlayalım. Dış kuvvet bulunmadığından kütle merkezi sabit hızla hareket eder. Kütle merkezinin durgun olduğu bir eylemsiz referans sisteminde çalışalım ve \(P_i\) noktasının kütle merkezine göre konumunu \(\mathbf r_i\) ile gösterelim. Bu durumda \[ \sum_{i=1}^{3}m_i\mathbf r_i=\mathbf 0. \]
Dik \(\sigma\) ekseni etrafındaki rijit dönmede üç kütlenin tümü ortak bir \(\boldsymbol\omega\) açısal hızına sahiptir. Kütle merkezine göre açısal momentumları \[ \mathbf L=I\boldsymbol\omega, \qquad I=\sum_{i=1}^{3}m_i|\mathbf r_i|^2. \] şeklindedir. Kütleçekim kuvvetleri iç kuvvetlerdir ve merkezîdir; dolayısıyla toplam torkları sıfırdır ve \(\mathbf L\) korunur. Rijit bir üçgenin \(I\) eylemsizlik momenti sabit olduğundan \(\boldsymbol\omega\) sabittir. Sonuç olarak, \[ \ddot{\mathbf r}_i=-\omega^2\mathbf r_i. \]
Bu nedenle Newton'un ikinci yasası, \(m_i\)'ye bölündükten sonra, \[ -\omega^2\mathbf r_i = G\sum_{j\ne i} \frac{m_j}{a_{ij}^3}(\mathbf r_j-\mathbf r_i). \tag{1} \] bağıntısını gerektirir. Kütle merkezi bağıntısı ayrıca \[ \sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -M\mathbf r_i. \tag{2} \] sonucunu verir. (2)'yi (1)'in sol tarafında yerine koyup yeniden düzenlersek, \[ \sum_{j\ne i}m_j \left(\frac{G}{a_{ij}^3}-\frac{\omega^2}{M}\right) (\mathbf r_j-\mathbf r_i)=\mathbf 0. \tag{3} \]
Üç nokta aynı doğru üzerinde bulunmadığından, her köşeden diğer köşelere yönelen iki vektör doğrusal bağımsızdır. Dolayısıyla (3)'teki her iki katsayı da sıfır olmalıdır. Kütleler pozitif olduğundan bu, her çift için \[ \frac{G}{a_{ij}^3}=\frac{\omega^2}{M}. \] olmasını gerektirir. Buradan \[ a_{12}=a_{23}=a_{13}=a, \qquad \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \] elde edilir. Böylece gereklilik kanıtlanmış olur.
Yeterliliği göstermek için kenar uzunluğu \(a\) olan eşkenar bir düzen ele alalım. Herhangi bir kütlenin kütleçekim ivmesi \[ \ddot{\mathbf r}_i = \frac{G}{a^3}\sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -\frac{GM}{a^3}\mathbf r_i. \] şeklindedir. Dolayısıyla bu kütleye etkiyen bileşke kütleçekim kuvveti kütle merkezine yönelir ve \[ \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \] olduğunda gerekli merkezcil ivmeyi tam olarak sağlar.
Kütle merkezi referans sistemindeki başlangıç hızlarını \[ \dot{\mathbf r}_i(0) = \boldsymbol\omega\times\mathbf r_i(0), \qquad \boldsymbol\omega\parallel\sigma. \] olarak seçelim. Buna karşılık gelen düzgün dönme, eşkenar üçgeni korur ve Newton denklemlerini her an sağlar. Dolayısıyla koşullar aynı zamanda yeterlidir. Kütle merkezinin sabit hızla yapacağı herhangi bir hareket de buna eklenebilir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1989 · Problema teórico 2
Tres masas que interactúan gravitatoriamente y giran como un cuerpo rígido
Tres puntos no colineales \(P_1\), \(P_2\) y \(P_3\), con masas conocidas \(m_1\), \(m_2\) y \(m_3\), interactúan entre sí únicamente mediante sus fuerzas gravitatorias mutuas; están aislados en el espacio libre y no interactúan con ningún otro cuerpo. Sea \(\sigma\) el eje que pasa por el centro de masas de las tres masas y es perpendicular al triángulo \(P_1P_2P_3\). ¿Qué condiciones deben cumplir las velocidades angulares \(\omega\) del sistema (alrededor del eje \(\sigma\)) y las distancias:
\[ P_1P_2=a_{12},\qquad P_2P_3=a_{23},\qquad P_1P_3=a_{13}, \]
para que la forma y el tamaño del triángulo \(P_1P_2P_3\) permanezcan invariables durante el movimiento del sistema, es decir, en qué condiciones gira el sistema alrededor del eje \(\sigma\) como un cuerpo rígido?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- Problema 2: El triángulo debe ser equilátero: \[ \boxed{a_{12}=a_{23}=a_{13}=a>0.} \] Las tres masas deben girar con la misma velocidad angular constante, cuyo módulo satisface \[ \boxed{\omega^2=\frac{G(m_1+m_2+m_3)}{a^3}.} \] Cualquiera de los dos sentidos de giro es posible. Estas condiciones son necesarias y suficientes para cualesquiera masas positivas; no es necesario que las masas sean iguales.
Solución
Problema 2
Utilizamos las leyes del movimiento de Newton y la gravitación newtoniana para masas puntuales. Definimos \[ M=m_1+m_2+m_3. \] No hay fuerza externa, por lo que el centro de masas se mueve uniformemente. Trabajamos en un sistema de referencia inercial en el que está en reposo, y denotamos por \(\mathbf r_i\) la posición de \(P_i\) respecto a él. Entonces \[ \sum_{i=1}^{3}m_i\mathbf r_i=\mathbf 0. \]
Para una rotación rígida alrededor del eje perpendicular \(\sigma\), las tres masas tienen una velocidad angular común \(\boldsymbol\omega\). Su momento angular respecto al centro de masas es \[ \mathbf L=I\boldsymbol\omega, \qquad I=\sum_{i=1}^{3}m_i|\mathbf r_i|^2. \] Las fuerzas gravitatorias son internas y centrales, por lo que su momento total es nulo y \(\mathbf L\) se conserva. Como un triángulo rígido tiene un \(I\) constante, \(\boldsymbol\omega\) es constante. Por consiguiente, \[ \ddot{\mathbf r}_i=-\omega^2\mathbf r_i. \]
Por tanto, la segunda ley de Newton, tras dividir por \(m_i\), exige \[ -\omega^2\mathbf r_i = G\sum_{j\ne i} \frac{m_j}{a_{ij}^3}(\mathbf r_j-\mathbf r_i). \tag{1} \] La relación del centro de masas también da \[ \sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -M\mathbf r_i. \tag{2} \] Sustituyendo (2) en el miembro izquierdo de (1) y reordenando, \[ \sum_{j\ne i}m_j \left(\frac{G}{a_{ij}^3}-\frac{\omega^2}{M}\right) (\mathbf r_j-\mathbf r_i)=\mathbf 0. \tag{3} \]
En cada vértice, los dos vectores dirigidos hacia los otros vértices son linealmente independientes, ya que los tres puntos no son colineales. Por tanto, ambos coeficientes de (3) deben anularse. Para masas positivas, esto implica, para cada par, \[ \frac{G}{a_{ij}^3}=\frac{\omega^2}{M}. \] Por lo tanto, \[ a_{12}=a_{23}=a_{13}=a, \qquad \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \] Esto demuestra la necesidad.
Para demostrar la suficiencia, tomamos una configuración equilátera de lado \(a\). La aceleración gravitatoria de cualquier masa es \[ \ddot{\mathbf r}_i = \frac{G}{a^3}\sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -\frac{GM}{a^3}\mathbf r_i. \] Así, la fuerza gravitatoria resultante sobre ella apunta hacia el centro de masas y proporciona exactamente la aceleración centrípeta necesaria cuando \[ \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \]
Elegimos las velocidades iniciales en el sistema de referencia del centro de masas como \[ \dot{\mathbf r}_i(0) = \boldsymbol\omega\times\mathbf r_i(0), \qquad \boldsymbol\omega\parallel\sigma. \] La rotación uniforme correspondiente conserva el triángulo equilátero y satisface las ecuaciones de Newton en todo instante. Por tanto, las condiciones también son suficientes. Se puede añadir un movimiento uniforme arbitrario del centro de masas.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1989 · 理论题 2
像刚体一样转动的三个相互吸引的质点
三个不共线的质点 \(P_1\)、\(P_2\) 和 \(P_3\),其质量分别为已知的 \(m_1\)、\(m_2\) 和 \(m_3\),彼此之间仅通过万有引力相互作用;它们孤立于自由空间中,不与任何其他物体相互作用。用 \(\sigma\) 表示通过这三个质点的质心且垂直于三角形 \(P_1P_2P_3\) 所在平面的轴。系统(绕轴 \(\sigma\))的角速度 \(\omega\) 以及各质点间的距离:
\[ P_1P_2=a_{12},\qquad P_2P_3=a_{23},\qquad P_1P_3=a_{13}, \]
应满足什么条件,才能使三角形 \(P_1P_2P_3\) 的形状和大小在系统运动过程中保持不变,即在什么条件下,系统会像刚体一样绕轴 \(\sigma\) 转动?
题目译自官方英文原文。
答案
- 题目 2: 三角形必须是等边三角形: \[ \boxed{a_{12}=a_{23}=a_{13}=a>0.} \] 三个质点必须以相同的恒定角速度转动,其大小满足 \[ \boxed{\omega^2=\frac{G(m_1+m_2+m_3)}{a^3}.} \] 两个转动方向均可。对于任意正质量,这些条件都是必要且充分的;三个质点的质量不必相等。
解答
题目 2
对质点应用牛顿运动定律和万有引力定律。定义 \[ M=m_1+m_2+m_3. \] 由于没有外力,质心做匀速直线运动。选取质心静止的惯性参考系,并用 \(\mathbf r_i\) 表示 \(P_i\) 相对于质心的位置矢量。于是 \[ \sum_{i=1}^{3}m_i\mathbf r_i=\mathbf 0. \]
当系统绕垂直于三角形所在平面的轴 \(\sigma\) 作刚体转动时,三个质点具有共同的角速度 \(\boldsymbol\omega\)。它们相对于质心的角动量为 \[ \mathbf L=I\boldsymbol\omega, \qquad I=\sum_{i=1}^{3}m_i|\mathbf r_i|^2. \] 万有引力是内力,也是有心力,因此其总力矩为零,\(\mathbf L\) 守恒。由于刚性三角形的 \(I\) 保持不变,\(\boldsymbol\omega\) 为常量。因此, \[ \ddot{\mathbf r}_i=-\omega^2\mathbf r_i. \]
因此,将牛顿第二定律两边除以 \(m_i\),可得必须满足 \[ -\omega^2\mathbf r_i = G\sum_{j\ne i} \frac{m_j}{a_{ij}^3}(\mathbf r_j-\mathbf r_i). \tag{1} \] 质心关系还给出 \[ \sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -M\mathbf r_i. \tag{2} \] 将式 (2) 代入式 (1) 的左边并整理,得 \[ \sum_{j\ne i}m_j \left(\frac{G}{a_{ij}^3}-\frac{\omega^2}{M}\right) (\mathbf r_j-\mathbf r_i)=\mathbf 0. \tag{3} \]
由于三个点不共线,从每个顶点指向另外两个顶点的两个矢量线性无关。因此,式 (3) 中的两个系数都必须为零。由于各质量为正,这意味着对于每一对质点,都有 \[ \frac{G}{a_{ij}^3}=\frac{\omega^2}{M}. \] 所以 \[ a_{12}=a_{23}=a_{13}=a, \qquad \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \] 这就证明了必要性。
为证明充分性,取边长为 \(a\) 的等边三角形构型。任一质点的引力加速度为 \[ \ddot{\mathbf r}_i = \frac{G}{a^3}\sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -\frac{GM}{a^3}\mathbf r_i. \] 因此,该质点所受引力的合力指向质心,并且当 \[ \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \] 时,恰好提供转动所需的向心加速度。
在质心参考系中,选取初速度为 \[ \dot{\mathbf r}_i(0) = \boldsymbol\omega\times\mathbf r_i(0), \qquad \boldsymbol\omega\parallel\sigma. \] 相应的匀速转动使等边三角形保持不变,并且在每一时刻都满足牛顿运动方程。因此,这些条件也是充分的。还可以叠加质心的任意匀速直线运动。
解答已与官方解答核对。
IPhO 1989 · Теоретическая задача 2
Три гравитирующие массы, вращающиеся как твёрдое тело
Три не лежащие на одной прямой материальные точки \(P_1\), \(P_2\) и \(P_3\) с известными массами \(m_1\), \(m_2\) и \(m_3\) взаимодействуют друг с другом только посредством сил взаимного гравитационного притяжения; они изолированы в свободном пространстве и не взаимодействуют ни с какими другими телами. Обозначим через \(\sigma\) ось, проходящую через центр масс трёх точек перпендикулярно плоскости треугольника \(P_1P_2P_3\). Каким условиям должны удовлетворять угловые скорости \(\omega\) системы (вокруг оси \(\sigma\)) и расстояния:
\[ P_1P_2=a_{12},\qquad P_2P_3=a_{23},\qquad P_1P_3=a_{13}, \]
чтобы форма и размеры треугольника \(P_1P_2P_3\) оставались неизменными при движении системы, то есть при каких условиях система вращается вокруг оси \(\sigma\) как твёрдое тело?
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- Задача 2: Треугольник должен быть равносторонним: \[ \boxed{a_{12}=a_{23}=a_{13}=a>0.} \] Все три материальные точки должны вращаться с одной и той же постоянной угловой скоростью, модуль которой удовлетворяет соотношению \[ \boxed{\omega^2=\frac{G(m_1+m_2+m_3)}{a^3}.} \] Возможны оба направления вращения. Эти условия необходимы и достаточны при любых положительных массах; массы не обязательно должны быть равны.
Решение
Задача 2
Воспользуемся законами движения Ньютона и законом всемирного тяготения для материальных точек. Введём обозначение \[ M=m_1+m_2+m_3. \] Внешние силы отсутствуют, поэтому центр масс движется равномерно и прямолинейно. Будем работать в инерциальной системе отсчёта, в которой он покоится, и обозначим через \(\mathbf r_i\) радиус-вектор точки \(P_i\) относительно центра масс. Тогда \[ \sum_{i=1}^{3}m_i\mathbf r_i=\mathbf 0. \]
При вращении как твёрдого тела вокруг перпендикулярной оси \(\sigma\) все три материальные точки имеют общую угловую скорость \(\boldsymbol\omega\). Их момент импульса относительно центра масс равен \[ \mathbf L=I\boldsymbol\omega, \qquad I=\sum_{i=1}^{3}m_i|\mathbf r_i|^2. \] Гравитационные силы являются внутренними и центральными, поэтому их суммарный момент равен нулю и \(\mathbf L\) сохраняется. Поскольку у неизменного треугольника величина \(I\) постоянна, \(\boldsymbol\omega\) также постоянна. Следовательно, \[ \ddot{\mathbf r}_i=-\omega^2\mathbf r_i. \]
Таким образом, второй закон Ньютона после деления на \(m_i\) требует выполнения равенства \[ -\omega^2\mathbf r_i = G\sum_{j\ne i} \frac{m_j}{a_{ij}^3}(\mathbf r_j-\mathbf r_i). \tag{1} \] Из соотношения, определяющего центр масс, также следует \[ \sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -M\mathbf r_i. \tag{2} \] Подставляя (2) в левую часть (1) и перегруппировывая слагаемые, получаем \[ \sum_{j\ne i}m_j \left(\frac{G}{a_{ij}^3}-\frac{\omega^2}{M}\right) (\mathbf r_j-\mathbf r_i)=\mathbf 0. \tag{3} \]
В каждой вершине два вектора, направленные к другим вершинам, линейно независимы, поскольку три точки не лежат на одной прямой. Поэтому оба коэффициента в (3) должны обращаться в нуль. При положительных массах отсюда для каждой пары следует \[ \frac{G}{a_{ij}^3}=\frac{\omega^2}{M}. \] Следовательно, \[ a_{12}=a_{23}=a_{13}=a, \qquad \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \] Тем самым необходимость доказана.
Чтобы доказать достаточность, рассмотрим конфигурацию в виде равностороннего треугольника со стороной \(a\). Гравитационное ускорение любой материальной точки равно \[ \ddot{\mathbf r}_i = \frac{G}{a^3}\sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -\frac{GM}{a^3}\mathbf r_i. \] Таким образом, равнодействующая гравитационных сил, действующих на эту точку, направлена к центру масс и обеспечивает в точности то центростремительное ускорение, которое требуется при \[ \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \]
Выберем начальные скорости в системе отсчёта центра масс в виде \[ \dot{\mathbf r}_i(0) = \boldsymbol\omega\times\mathbf r_i(0), \qquad \boldsymbol\omega\parallel\sigma. \] Соответствующее равномерное вращение сохраняет равносторонний треугольник и удовлетворяет уравнениям Ньютона в любой момент времени. Следовательно, эти условия также достаточны. К этому движению можно добавить произвольное равномерное прямолинейное движение центра масс.
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1989 · مسألة نظرية 2
ثلاث كتل متجاذبة تثاقليًا تدور كجسم صلب
تتفاعل ثلاث نقاط غير واقعة على استقامة واحدة \(P_1\)، \(P_2\) و\(P_3\)، ذات كتل معلومة \(m_1\)، \(m_2\) و\(m_3\)، بعضها مع بعض بقوى التجاذب التثاقلي المتبادلة وحدها؛ وهي معزولة في الفضاء الحر ولا تتفاعل مع أي أجسام أخرى. ليرمز \(\sigma\) إلى المحور المار بمركز كتلة الكتل الثلاث والعمودي على المثلث \(P_1P_2P_3\). ما الشروط التي ينبغي أن تحققها السرعات الزاوية \(\omega\) للنظام (حول المحور \(\sigma\)) والمسافات:
\[ P_1P_2=a_{12},\qquad P_2P_3=a_{23},\qquad P_1P_3=a_{13}, \]
لكي يظل شكل المثلث \(P_1P_2P_3\) وحجمه ثابتين أثناء حركة النظام، أي تحت أي شروط يدور النظام حول المحور \(\sigma\) كجسم صلب؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- المسألة 2: يجب أن يكون المثلث متساوي الأضلاع: \[ \boxed{a_{12}=a_{23}=a_{13}=a>0.} \] يجب أن تدور الكتل الثلاث جميعها بالسرعة الزاوية الثابتة نفسها، التي يحقق مقدارها العلاقة \[ \boxed{\omega^2=\frac{G(m_1+m_2+m_3)}{a^3}.} \] يمكن أن يكون الدوران في أي من الاتجاهين. وهذه الشروط لازمة وكافية لأي كتل موجبة؛ ولا يلزم أن تكون الكتل متساوية.
الحل
المسألة 2
نستخدم قوانين نيوتن للحركة وقانون نيوتن للجذب العام للكتل النقطية. نعرّف \[ M=m_1+m_2+m_3. \] لا توجد قوة خارجية، ولذلك يتحرك مركز الكتلة حركة منتظمة. نعمل في إطار مرجعي قصوري يكون فيه مركز الكتلة ساكنًا، ولتكن \(\mathbf r_i\) متجه موضع \(P_i\) بالنسبة إليه. عندئذٍ \[ \sum_{i=1}^{3}m_i\mathbf r_i=\mathbf 0. \]
عند الدوران كجسم صلب حول المحور العمودي \(\sigma\)، تكون للكتل الثلاث سرعة زاوية مشتركة \(\boldsymbol\omega\). ويكون زخمها الزاوي حول مركز الكتلة \[ \mathbf L=I\boldsymbol\omega, \qquad I=\sum_{i=1}^{3}m_i|\mathbf r_i|^2. \] قوى الجاذبية داخلية ومركزية، ولذلك ينعدم مجموع عزومها ويُحفظ \(\mathbf L\). ولأن المثلث الصلب له عزم قصور ذاتي \(I\) ثابت، فإن \(\boldsymbol\omega\) ثابتة. ومن ثم، \[ \ddot{\mathbf r}_i=-\omega^2\mathbf r_i. \]
لذلك يقتضي قانون نيوتن الثاني، بعد القسمة على \(m_i\)، أن \[ -\omega^2\mathbf r_i = G\sum_{j\ne i} \frac{m_j}{a_{ij}^3}(\mathbf r_j-\mathbf r_i). \tag{1} \] وتعطي علاقة مركز الكتلة أيضًا \[ \sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -M\mathbf r_i. \tag{2} \] بالتعويض من (2) في الطرف الأيسر من (1) وإعادة الترتيب، نحصل على \[ \sum_{j\ne i}m_j \left(\frac{G}{a_{ij}^3}-\frac{\omega^2}{M}\right) (\mathbf r_j-\mathbf r_i)=\mathbf 0. \tag{3} \]
عند كل رأس، يكون المتجهان اللذان يشيران نحو الرأسين الآخرين مستقلين خطيًا، لأن النقاط الثلاث لا تقع على استقامة واحدة. لذا يجب أن ينعدم كلا المعاملين في (3). وبما أن الكتل موجبة، فإن ذلك يعني، لكل زوج، أن \[ \frac{G}{a_{ij}^3}=\frac{\omega^2}{M}. \] وعليه، \[ a_{12}=a_{23}=a_{13}=a, \qquad \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \] وهذا يثبت لزوم الشروط.
لإثبات كفاية الشروط، نأخذ ترتيبًا على هيئة مثلث متساوي الأضلاع طول ضلعه \(a\). يكون تسارع أي كتلة بفعل الجاذبية \[ \ddot{\mathbf r}_i = \frac{G}{a^3}\sum_{j\ne i}m_j(\mathbf r_j-\mathbf r_i) = -\frac{GM}{a^3}\mathbf r_i. \] ومن ثم تتجه محصلة قوة الجاذبية المؤثرة فيها نحو مركز الكتلة، وتوفّر بالضبط التسارع المركزي اللازم عندما \[ \omega^2=\frac{GM}{a^3}. \]
نختار السرعات الابتدائية في إطار مركز الكتلة على النحو الآتي \[ \dot{\mathbf r}_i(0) = \boldsymbol\omega\times\mathbf r_i(0), \qquad \boldsymbol\omega\parallel\sigma. \] يحافظ الدوران المنتظم الموافق على المثلث متساوي الأضلاع ويحقق معادلات نيوتن في كل لحظة. ولذلك تكون الشروط كافية أيضًا. ويمكن إضافة أي حركة منتظمة لمركز الكتلة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.