Ричард Фейнман - 1. Современная наука о природе, законы механики

Это очень примечательный результат. Благодаря ему нам становятся известны такие подробности о движении планет, о которых мы раньше и не догадывались. Выясняется, что когда планета вертится вокруг Солнца одна, без спутников и в отсут­ствие каких-либо других сил, то квадрат ее скорости минус некоторая константа, деленная на расстояние до Солнца, вдоль орбиты не меняется. Например, чем ближе планета к Солнцу, тем быстрее она движется. Но насколько быстрее? А вот на­сколько: если вместо движения вокруг Солнца вы толкнете ее к Солнцу с той же скоростью и подождете, пока она не упадет на нужное расстояние, то приобретенная скорость будет как раз такой, какой планета обладает на этой орбите, потому что полу­чился просто другой пример сложного пути обхода. Если пла­нета вернется по такому пути обратно, ее кинетическая энергия окажется прежней. Поэтому независимо от того, движется ли она по настоящей невозмущенной орбите или же по сложному пути (но без трения), кинетическая энергия в момент возвраще­ния на орбиту оказывается как раз такой, какой нужно.

Значит, когда мы проводим численный анализ движения пла­неты по орбите (как мы делали раньше), мы можем проверить, не сделали ли заметных ошибок при расчете этой постоянной величины, энергии, на каждом шаге; она не должна менять­ся. Для орбиты, приведенной в табл. 9.2 (стр. 170), энергия меняется примерно на 1,5% с начала движения до конца. Почему? То ли потому, что в численном методе мы пользова­лись конечными приращениями, то ли из-за мелких погрешнос­тей в арифметике.

Рассмотрим энергию в другой задаче: задаче о массе, подве­шенной на пружине. Когда отклоняют массу от положения рав­новесия, сила, восстанавливающая ее положение, пропорцио­нальна смещению. Можно ли в этих условиях вывести закон сохранения энергии? Да; потому что работа, совершаемая этой силой, равна

Значит, у массы, подвешенной на пружине, сумма кинетической энергии ее колебаний и

1 / 2 kx 2 постоянна. Посмотрим, как это происходит. Оттянем массу вниз; она неподвижна и скорость ее равна нулю, но х не равно нулю, теперь величина х максималь­на, так что имеется и некоторый запас энергии (потенциальной). Отпустим теперь массу: начнется какой-то процесс (в детали мы не вникаем), но в любое мгновение кинетическая плюс потен­циальная энергии будут постоянны. Например, когда масса проходит через точку первоначального равновесия, то х=0, но тогда значение v 2наибольшее, и чем больше величина x 2, тем меньше v 2и т. д. Значит, во время колебаний соблюдается равновесие между величинами x 2и r 2. Мы получили, таким обра­зом, новое правило: потенциальная энергия пружины равна l / 2 kx 2 , если сила равна - kx.

§ 3. Сложение энергий

Перейдем теперь к более общему случаю и рассмотрим, что произойдет, если тел много. Предположим, что имеется несколь­ко тел; пронумеруем их: i = l, 2, 3, ... и пусть все они притяги­вают друг друга. Что тогда произойдет? Можно доказать, что если сложить кинетические энергии всех тел и добавить сюда сумму (по всем парам частиц) их взаимных потенциальных энер­гий тяготения — GMm/r ij , то все вместе даст постоянную:

Как же это доказать? Мы продифференцируем обе стороны по времени и докажем, что получится нуль. При дифференцирова­нии 1/ 2 т i v 2 i мы получим производные скорости — силы [как в (13.5)], а потом эти силы заменим их величиной, известной нам

из закона тяготения, и увидим в конце концов, что останется как раз производная по времени от

Начинаем доказательство. Производная кинетической энергии по времени есть

Производная по времени от потенциальной энергии есть

но

так что

потому что r ij=-r ji, хотя r ij=r } i . Итак,

Теперь внимательно посмотрим, что значит

и означает, что i принимает по порядку

все значения i=1, 2, 3,..., и для каждого i индекс j принимает все значения, кроме i. Если, например, i = 3, то j принимает зна­чения 1, 2, 4, ....

С другой стороны, в (13.16) S означает, что каждая пара i и j встречается лишь однажды. Скажем, частицы 1 и 3 дают только один член в сумме. Чтобы отметить это, можно договориться, что i принимает значения 1, 2, 3, ..., а j для каждого i — только значения, большие чем i Если, скажем, i=3, то j равно 4, 5, 6, .... Но вспомним, что каждая пара i, j дает два слагаемых в сумме, одно с v i, а другое с v j , и что оба эти члена выглядят так же, как член в уравнении (13.14) [но только в последнем в сумму входят все значения i и j (кроме i=j)]. В уравнениях (13.16) и (13.15) член за членом совпадут по величине. Знаки их, однако, будут противоположны, так что производная по времени от суммы потенциальной и кинетической энергий действительно равна нулю. Итак, мы видим, что и в системе многих тел кинети­ческая энергия составляется из суммы энергий отдельных тел и что потенциальная энергия тоже состоит из взаимных потен­циальных энергий пар частиц. Почему она складывается из энер­гий пар? Это можно уяснить себе следующим образом: положим, мы хотим найти всю работу, которую нужно совершить, чтобы развести тела на определенные расстояния друг от друга. Мож­но это сделать не за один раз, а постепенно, доставляя их одно за другим из бесконечности, где на них никакие силы не влияли. Сперва мы приведем тело 1, на что работы не потребуется, потому что, пока нет других тел, силы отсутствуют. Доставка тела 2 потребует работы W 12 =-Gm 1 m 2 /r i 2 . И вот теперь самый суще­ственный момент: мы доставляем тело 3 в точку 3. В любой мо­мент сила, действующая на 3, слагается из двух частей: из си­лы, действующей со стороны 1, и силы со стороны 2. Значит, и вся произведенная работа равна сумме работ каждой из сил, потому что раз F 3разбивается на сумму сил