Форум программистов, компьютерный форум, киберфорум
Физика
Войти
Регистрация
Восстановить пароль
Блоги Сообщество Поиск Заказать работу  
 
 
Рейтинг 4.58/64: Рейтинг темы: голосов - 64, средняя оценка - 4.58
Модератор
Эксперт .NET
 Аватар для Элд Хасп
16113 / 11234 / 2887
Регистрация: 21.04.2018
Сообщений: 33,035
Записей в блоге: 2

Гравитация внутри полой сферы

13.01.2020, 23:55. Показов 14452. Ответов 66
Метки нет (Все метки)

Студворк — интернет-сервис помощи студентам
Физикой сильно не увлекаюсь - так любопытничаю.
Случайно прочитал в статье, что сила тяжести внутри сферы уравновешена и все тела находятся в состоянии невесомости.
И доказано это ещё Ньютоном.

Мне как-то показалось это неправдоподобным.
Поискал ещё - не сказать, что много нашёл. Но всюду утверждается так же.
Вопрос - я не знаю физику или я не знаю где искать?
0
Programming
Эксперт
39485 / 9562 / 3019
Регистрация: 12.04.2006
Сообщений: 41,671
Блог
13.01.2020, 23:55
Ответы с готовыми решениями:

Найти высоту h, соответствующую положению равновесия шарика относительно сферы, и реакцию сферы N
Вот задача -- сфера радиусом R = 2 м равномерно вращается вокруг оси симметрии с частотой (n) 30 мин-1. Внутри сферы находится шарик массой...

С помощью теор Гаусса-Остроградского найти напряженность электрического поля и его потенциал внутри сферы
1) В одной из ранних моделей электрически нейтральный атом водорода представлялся в виде точечного положительного заряда е= 1,6*{10}^{-19}...

Какой должен быть диаметр упругой спец сферы, чтобы человек, находясь внутри неё, выжил бы при падении с большой высоты?
Недавно была задачка про парашютиста. А вот такая задачка. Все знают про аттракцион (зорбинг) скатывания с горы в большом полом упругом...

66
управление сложностью
 Аватар для Почтальон
1693 / 1306 / 259
Регистрация: 22.03.2015
Сообщений: 7,545
Записей в блоге: 5
14.01.2020, 12:47
Для силы тяжести - нужна масса, так что гравитация внутри полой сферы будет
0
Эксперт по математике/физике
 Аватар для SSC
3390 / 1913 / 571
Регистрация: 09.04.2015
Сообщений: 5,365
14.01.2020, 12:51
Цитата Сообщение от Элд Хасп Посмотреть сообщение
я не знаю где искать?
Посмотрите материалы по запросу в google
"сила тяжести в центре земли"
0
Модератор
Эксперт .NET
 Аватар для Элд Хасп
16113 / 11234 / 2887
Регистрация: 21.04.2018
Сообщений: 33,035
Записей в блоге: 2
14.01.2020, 13:25  [ТС]
Цитата Сообщение от SSC Посмотреть сообщение
Посмотрите материалы по запросу в google
"сила тяжести в центре земли"
Ну, блин, снисходительнее всё таки... Или думаете я даже погуглить сам не в состоянии?

Вот ссылки где затрагивается тема точки внутри полой сферы (не внутри ЗЕМЛИ!)
https://elementy.ru/posters/gravity/6
То есть сфера вообще не действует на точечную массу, расположенную внутри нее, в каком бы месте эта точечная масса ни находилась (совершенно необязательно, чтобы она находилась в центре сферы!).
http://interesnik.com/zabluzhd... enyaetsya/
Лишним подтверждением этому факту служит строгое математическое доказательство отсутствия притяжения внутри сферы.
http://www.geokniga.org/sites/... 226/15.pdf
Отсюда вывод: материальная точка, помещенная внутри полой сферы, этой сферой не притягивается
И так же всюду где попадался мне этот вопрос.
Но не смотря на это мне кажется это неправдоподобным.
Отсюда и возник мой вопрос.

Цитата Сообщение от Почтальон Посмотреть сообщение
Для силы тяжести - нужна масса, так что гравитация внутри полой сферы будет
Я тоже так думаю. Но почему-то всюду где нашёл утверждается противоположное.
0
Эксперт по математике/физике
 Аватар для SSC
3390 / 1913 / 571
Регистрация: 09.04.2015
Сообщений: 5,365
14.01.2020, 14:02
Цитата Сообщение от Элд Хасп Посмотреть сообщение
То есть сфера вообще не действует на точечную массу, расположенную внутри нее,
Методологически это неверно.
Если разбить сферу на N частей, то каждая часть будет притягивать точечную массу. Поэтому и вся сфера будет создавать силу притяжения. Однако если точечная масса расположена в центре сферы, то равнодействующая сила от всех сил притяжения к N частям сферы будет равна нулю.
Следовательно гравитация на точечную массу в центре сферы будет действовать (уже в силу того, что что объект обладает массой), однако гравитационная сила притяжения этой точечной массы к сфере равна нулю, и можно считать что данный объект по отношению к сфере находится в "невесомости".
Это как в электростатике. Например есть два положительных равных заряда на некотором расстоянии. Точно посередине помещаем малый пробный заряд. Силы Кулона будут действовать на пробный заряд. Электростатическое поле будет. Но равнодействующая сил Кулона будет равна нулю.
0
2732 / 887 / 330
Регистрация: 10.02.2018
Сообщений: 2,095
14.01.2020, 14:04
Цитата Сообщение от Элд Хасп Посмотреть сообщение
Но не смотря на это мне кажется это неправдоподобным.
Почему же, всё вполне логично. Силы притяжения от всех точек сферы внутри данной сферы полностью уравновешены. Снаружи сферы результирающая сил от всех точек данной сферы аналогична силе от равной массы помещённой в цент. Что именно вам кажется неправдоподобным?
0
Модератор
Эксперт .NET
 Аватар для Элд Хасп
16113 / 11234 / 2887
Регистрация: 21.04.2018
Сообщений: 33,035
Записей в блоге: 2
14.01.2020, 14:56  [ТС]
Цитата Сообщение от SSC Посмотреть сообщение
Методологически это неверно.
Я ещё раз уточняю.
Я не интересуюсь за ЦЕНТР сферы.
Речь идёт за любое место внутри сферы.

Прочитайте статьи из которых я привёл ссылки.

Добавлено через 1 минуту
Цитата Сообщение от Ygg Посмотреть сообщение
Что именно вам кажется неправдоподобным?
Именно резкий ступенчатый обрыв силы притяжения.
На R+0 сила есть и она значительная, а на R-0 сразу ноль.

То есть это на самом деле так и мои сомнения необоснованны?

Добавлено через 7 минут
Ygg, пока без расчётов чисто логически.

Сфера размером в километр. Точка внутри сферы на расстоянии 1 мм
Мысленно разрезаем сферу плоскостью проходящей через точку и перпендикулярную прямой соединяющей точку с центром сферы.

По принципу симметрии обе части сферы будут тянуть точку строго вдоль прямой от точки к сфере, но в разных направлениях.
И что сила притяжения "отрезанной крышки" размером в метр-два будет равна силе притяжения всей остальной сферы?
0
2890 / 1925 / 208
Регистрация: 05.06.2011
Сообщений: 5,616
14.01.2020, 15:33
Цитата Сообщение от SSC Посмотреть сообщение
если точечная масса расположена в центре сферы, то равнодействующая сила от всех сил притяжения к N частям сферы будет равна нулю
В любой точке сферы. Не только в центре.
Цитата Сообщение от Элд Хасп Посмотреть сообщение
И что сила притяжения "отрезанной крышки" размером в метр-два будет равна силе притяжения всей остальной сферы?
Напоминаю: кроме массы в уравнение Ньютона входит эр в квадрате.
0
2732 / 887 / 330
Регистрация: 10.02.2018
Сообщений: 2,095
14.01.2020, 15:42
Цитата Сообщение от Элд Хасп Посмотреть сообщение
И что сила притяжения "отрезанной крышки" размером в метр-два будет равна силе притяжения всей остальной сферы?
Да. Всё волшебство в квадрате расстояния в знаменателе формулы для силы притяжения. "Крышка" гораздо ближе, но меньше. Оставшаяся часть больше, но дальше. В результате силы от таких неравных частей сферы уравновешиваются. Строгое доказательство через интегралы непосильно моему разумению, но я доверяю математикам в этом вопросе

В первой вашей ссылке есть описание уравновешивания через сектора. Оно приблизительно, но более-менее наглядно. Ещё где-то встречал чуть более подробное описание тройного интегрирования вдоль оси симметрии: точка, кольцо, сфера. Не помню где, но вроде там чуть понятнее для меня было, по сравнению с вашей третьей ссылкой. Выкладки для случая внутри сферы и снаружи чем-то перекликаются. Можно поискать какой-нибудь материал для точки снаружи сферы.
0
Модератор
Эксперт .NET
 Аватар для Элд Хасп
16113 / 11234 / 2887
Регистрация: 21.04.2018
Сообщений: 33,035
Записей в блоге: 2
14.01.2020, 16:12  [ТС]
iifat, Ygg, R^2 не спасёт, по моему.

Если есть возможность и желание давайте разложим по полочкам.

Законы Ньютона напрямую задают силу притяжения между точками.

1. Для начала рассмотрим систему из трёх точек
  • m1 – точка
  • m2 – две равные точки общей массы
  • L – расстояние межу точками
  • F – сила притяжения
  • R - расстояние от перпендикуляра
  • H – высота перпендикуляра
(1): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?L=\sqrt{{R}^{2}+{H}^{2}}

(2): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?F=G*\frac{0.5*{m}_{1}*{m}_{2}}{{L}^{2}}

(3): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?f=\vec{{F}_{1}} + \vec{{F}_{2}} = 2*F*\frac{H}{L}=G\frac{{m}_{1}{m}_{2}H}{{L}^{3}}

2. Притяжение точки к кругу.
Круг состоит из точек, равноудалённых от центра.
Если точка лежит на прямой проходящей через центр круга и перпендикулярной плоскости круга, то все точки круга так же равноудалены от исходной точки.
Раз все точки равноудалены от исходной точки, то притяжение между кругом и точкой определяется также по формуле 3, где m2 – это масса круга


Рассуждение верные? Ошибки нигде нет?
0
2732 / 887 / 330
Регистрация: 10.02.2018
Сообщений: 2,095
14.01.2020, 16:26
Цитата Сообщение от Элд Хасп Посмотреть сообщение
Рассуждение верные? Ошибки нигде нет?
Вроде верные пока, но iifat и SSC лучше меня в математике разбираются, так что лучше у них спрашивать
0
Модератор
Эксперт .NET
 Аватар для Элд Хасп
16113 / 11234 / 2887
Регистрация: 21.04.2018
Сообщений: 33,035
Записей в блоге: 2
14.01.2020, 16:38  [ТС]
Цитата Сообщение от Ygg Посмотреть сообщение
iifat и SSC лучше меня в математике разбираются, так что лучше у них спрашивать
Будем ждать.
0
2890 / 1925 / 208
Регистрация: 05.06.2011
Сообщений: 5,616
14.01.2020, 16:41
Цитата Сообщение от Элд Хасп Посмотреть сообщение
Ошибки нигде нет?
Похоже на то.
0
Модератор
Эксперт .NET
 Аватар для Элд Хасп
16113 / 11234 / 2887
Регистрация: 21.04.2018
Сообщений: 33,035
Записей в блоге: 2
14.01.2020, 17:46  [ТС]
Цитата Сообщение от iifat Посмотреть сообщение
Похоже на то.
Сфера состоит из кругов перпендикулярных этой плоскости. Так как притяжение к кругу равносильно притяжению к двум его противоположным точкам с общей массой раной массе круга, то притяжение каждого круга равно точкам его пересечения с плоскостью.
Все точки пересечения кругов с плоскостью тоже образуют круг общей массой равной массе круга.
Масса каждой окружности пропорциональна длине его окружности и, следовательно, его радиусу.
  • R – Радиус сферы
  • a – у=Угол функции
  • r – Радиус круга функции
  • X – Ось Абсцисс

Длина окружности (4): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?L=2\pi {r}^{2}

Радиус окружности (5): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?r=R*sin(\alpha )

Масса окружности (6): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?m=L*\rho=2\pi\rho{r}^{2}=2\pi\rho*{R}^{2}*{sin}^{2}(\alpha ), где ρ – коэффициент линейной плотности

Общая масса сферы равна интегралу от масс кругов:
(7): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?M=\int_{0}^{\pi}2\pi \rho{R}^{2}{sin}^{2}(\alpha )d\alpha = 2\pi\rho {R}^{2}\left(\frac{\alpha }{2}-\frac{sin2\alpha }{4}\right)0...\pi
не нашёл как в LATEX указывать диапазон написал 0...pi
Расчёт по диапазону https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?M=\rho *{R}^{2}*{\pi }^{2}

Отсюда приведённая плотность (8): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?\rho =\frac{M}{{\pi }^{2}*{R}^{2}}


Пока ошибок нет?
0
2732 / 887 / 330
Регистрация: 10.02.2018
Сообщений: 2,095
14.01.2020, 19:35
Цитата Сообщение от Элд Хасп Посмотреть сообщение
Пока ошибок нет?
В длине окружности (4) радиус без квадрата, вроде бы.
0
Модератор
Эксперт .NET
 Аватар для Элд Хасп
16113 / 11234 / 2887
Регистрация: 21.04.2018
Сообщений: 33,035
Записей в блоге: 2
14.01.2020, 20:52  [ТС]
Цитата Сообщение от Ygg Посмотреть сообщение
В длине окружности (4) радиус без квадрата, вроде бы.
Точно!
Корректирую

(4) - https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?L=2\pi R

(5) - без изменений

(6) - https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?m=L*\rho =2\pi \rho r=2\pi \rho R sin(\alpha )

(7) - https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?M = \int_{0}^{\pi }2\pi \rho R *sin(\alpha ) d\alpha = -2\pi \rho R *cos(\alpha ) \left|\frac{\pi }{0}= -2\pi \rho R *\left(-1-1 \right)= 4\pi \rho R

Здорово! Конкретно проще получилось!

(8) - https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?\rho = \frac{M}{4\pi R}

Так вроде правильно.

Теперь надо перевести всё это в силу притяжения.
0
Модератор
Эксперт .NET
 Аватар для Элд Хасп
16113 / 11234 / 2887
Регистрация: 21.04.2018
Сообщений: 33,035
Записей в блоге: 2
14.01.2020, 23:25  [ТС]
Рассмотрим притяжение точки к одной из точек окружности, представляющего радиальную проекцию сферы на плоскость.
Ранее мы уже выяснили, что физически притяжение точки к сфере равносильно к притяжению к этой проекции не зависимо от взаимных расположений точки и сферы.
В том числе точка может находиться и внутри сферы.



Сила притяжении точки m1 к точке m2, являющейся проекцией окружности из (3):

(3): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?f=G\frac{{m}_{1}{m}_{2}H}{{L}^{3}}

Подставляем переменные:

Масса окружности (9): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?{m}_{2}=2\pi \rho R*sin(\alpha )= 2\pi \frac{M}{4\pi R}R*sin(\alpha )=\frac{1}{2}M*sin(\alpha )

Расстояние от точки до плоскости окружности (10): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?H=h-R*cos(\alpha )


Расстояние от точки до точки окружности (11):

https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?L=\sqrt{\left({H}^{2}+{\left(R*sin(\alpha ) \right)}^{2} \right)}=\sqrt{{h}^{2}-2hR*cos(\alpha )+{R}^{2}{cos}^{2}(\alpha )+{R}^{2}{sin}^{2}(\alpha )}=\sqrt{{h}^{2}-2hR*cos(\alpha )+{R}^{2}}

Общая формула притяжения между точкой и окружностью сферы (11):

https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?f=G*\frac{{m}_{1}M}{2}*\frac{sin(\alpha )*\left(h-cos(\alpha ) \right)}{{\left({h}^{2}-2hR*cos(\alpha ) +{R}^{2}\right)}^{1.5}}

Общую силу притяжения между точкой и сферой даст интеграл этой функции в диапазоне от 0 до π

Интегрирование в общем виде пока оставим - к этому я ещё морально не готов.
Сделаем оценку при h=0 и h>>R


Для h=0 (12): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?{f}_{0}=\int_{0}^{\pi }G*\frac{{m}_{1}M}{2}*\frac{-sin(\alpha )cos(\alpha )}{{R}^{3}}d\alpha =-G*\frac{{m}_{1}M}{2{R}^{3}}*\frac{1}{4}cos(2\alpha )\left|\frac{\pi }{0}=0


Для h>>R (13): https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?{f}_{rr}=\int_{0}^{\pi }G*\frac{{m}_{1}M}{2}*\frac{sin(\alpha )h}{{h}^{3}}d\alpha =-G*\frac{{m}_{1}M}{2{h}^{2}}*cos(\alpha )\left|\frac{\pi }{0}=G*\frac{{m}_{1}M}{2{h}^{2}}



Получаем , что в центре сферы притяжение равно нулю, а на большом удаления обратно пропорционально квадрату расстояния.
Для крайних значений ответ верный.

Что ещё можно сказать об этой (11) функции? Она непрерывная, дифференцируема и интегрируема во всём числовом диапазоне.
Никаких скачков ступенек в ней быть не может.

С интегралами дружу слабо. Надо попросить кого-нибудь чтобы помог получить интеграл в общем виде.

Пока же прошу проверить остальную часть выводов.
0
2890 / 1925 / 208
Регистрация: 05.06.2011
Сообщений: 5,616
15.01.2020, 00:05
Пока навскидку, некогда. Попозже почту внимательнее.
Цитата Сообщение от Элд Хасп Посмотреть сообщение
Что ещё можно сказать об этой функции. Она непрерывная, дифференцируема и интегрируема во всём числовом диапазоне.
Никаких скачков ступенек в ней быть не может
Какая именно функция? https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?f_{rr}(h)? А в нуле она тоже дифференцируема? А ничего, что в нуле она обращается в бесконечность, а у вас вдруг ра вна нулю?
0
Модератор
Эксперт .NET
 Аватар для Элд Хасп
16113 / 11234 / 2887
Регистрация: 21.04.2018
Сообщений: 33,035
Записей в блоге: 2
15.01.2020, 00:41  [ТС]
iifat, разве при h=0 (формула 12) есть какие-то проблемы с дифференцированием?
Где она там в бесконечность обращается?

Или я не понял о чём вы?

Добавлено через 2 минуты
Основная же формула это 11-я.
А 13-я это приближение при h>>R.
Здесь h априори не нуль.
0
2890 / 1925 / 208
Регистрация: 05.06.2011
Сообщений: 5,616
15.01.2020, 08:11
11-я так 11-я. Кстати говоря, в числителе там https://www.cyberforum.ru/cgi-bin/latex.cgi?h-R\cos\alpha
1
Надоела реклама? Зарегистрируйтесь и она исчезнет полностью.
inter-admin
Эксперт
29715 / 6470 / 2152
Регистрация: 06.03.2009
Сообщений: 28,500
Блог
15.01.2020, 08:11
Помогаю со студенческими работами здесь

Быстрая генерация случайных точек внутри сферы
Доброго времени суток, Господа. Стесняюсь за такие вопросы, но все же:) Делаю систему частиц. Хочу чтобы частицы появлялись в...

Площадь части цилиндра, расположенной внутри сферы
Необходимо вычислить площадь части цилиндра x^{2}+y^{2}=Rx расположенной внутри сферы x^{2}+y^{2}+z^{2}=R^{2} Проекция на XY даст вот...

Рекурсия вместо трёх циклов for для генерирования точек внутри сферы
нужно переделать код. Вместо 3 циклов использовать рекурсию. /* * File: main.c * Author: Admin * * Created on 29 сентября 2014...

Написание функции для создания точек внутри куба и сферы: перевод кода из C++ в Delphi
Добрый день! В лабораторной работе мне дали задание - создать три трекбара и поместить тысячу точек внутри куба и сферы с кодом на C++: ...

HTML-таблица выходит на печать с полой рамкой
Во вложении изображения таблиц: вид из браузера, где сетка таблицы спошная и чёрная, и вид для печати, где сетка полая внутри. Код...


Искать еще темы с ответами

Или воспользуйтесь поиском по форуму:
20
Ответ Создать тему
Новые блоги и статьи
Новый ноутбук
volvo 07.12.2025
Всем привет. По скидке в "черную пятницу" взял себе новый ноутбук Lenovo ThinkBook 16 G7 на Амазоне: Ryzen 5 7533HS 64 Gb DDR5 1Tb NVMe 16" Full HD Display Win11 Pro
Музыка, написанная Искусственным Интеллектом
volvo 04.12.2025
Всем привет. Некоторое время назад меня заинтересовало, что уже умеет ИИ в плане написания музыки для песен, и, собственно, исполнения этих самых песен. Стихов у нас много, уже вышли 4 книги, еще 3. . .
От async/await к виртуальным потокам в Python
IndentationError 23.11.2025
Армин Ронахер поставил под сомнение async/ await. Создатель Flask заявляет: цветные функции - провал, виртуальные потоки - решение. Не threading-динозавры, а новое поколение лёгких потоков. Откат?. . .
Поиск "дружественных имён" СОМ портов
Argus19 22.11.2025
Поиск "дружественных имён" СОМ портов На странице: https:/ / norseev. ru/ 2018/ 01/ 04/ comportlist_windows/ нашёл схожую тему. Там приведён код на С++, который показывает только имена СОМ портов, типа,. . .
Сколько Государство потратило денег на меня, обеспечивая инсулином.
Programma_Boinc 20.11.2025
Сколько Государство потратило денег на меня, обеспечивая инсулином. Вот решила сделать интересный приблизительный подсчет, сколько государство потратило на меня денег на покупку инсулинов. . . .
Ломающие изменения в C#.NStar Alpha
Etyuhibosecyu 20.11.2025
Уже можно не только тестировать, но и пользоваться C#. NStar - писать оконные приложения, содержащие надписи, кнопки, текстовые поля и даже изображения, например, моя игра "Три в ряд" написана на этом. . .
Мысли в слух
kumehtar 18.11.2025
Кстати, совсем недавно имел разговор на тему медитаций с людьми. И обнаружил, что они вообще не понимают что такое медитация и зачем она нужна. Самые базовые вещи. Для них это - когда просто люди. . .
Создание Single Page Application на фреймах
krapotkin 16.11.2025
Статья исключительно для начинающих. Подходы оригинальностью не блещут. В век Веб все очень привыкли к дизайну Single-Page-Application . Быстренько разберем подход "на фреймах". Мы делаем одну. . .
Фото: Daniel Greenwood
kumehtar 13.11.2025
Расскажи мне о Мире, бродяга
kumehtar 12.11.2025
— Расскажи мне о Мире, бродяга, Ты же видел моря и метели. Как сменялись короны и стяги, Как эпохи стрелою летели. - Этот мир — это крылья и горы, Снег и пламя, любовь и тревоги, И бескрайние. . .
КиберФорум - форум программистов, компьютерный форум, программирование
Powered by vBulletin
Copyright ©2000 - 2025, CyberForum.ru