Urodzona sztywność

Urodzona sztywność jest pojęciem szczególnej teorii względności . Jest to jedna z odpowiedzi na pytanie, co w szczególnej teorii względności odpowiada sztywnemu ciału nierelatywistycznej mechaniki klasycznej .

Pojęcie to zostało wprowadzone przez Maxa Borna (1909), który szczegółowo opisał przypadek stałego przyspieszenia właściwego , który nazwał ruchem hiperbolicznym . Kiedy kolejni autorzy, tacy jak Paul Ehrenfest (1909), próbowali uwzględnić również ruchy obrotowe, stało się jasne, że sztywność Borna jest bardzo restrykcyjnym poczuciem sztywności, co doprowadziło do twierdzenia Herglotza -Noethera , zgodnie z którym istnieją poważne ograniczenia dotyczące rotacyjnego Borna. sztywne ruchy. Sformułował ją Gustav Herglotz (1909, który sklasyfikował wszystkie formy ruchów obrotowych) oraz w mniej ogólny sposób Fritz Noether (1909). W rezultacie Born (1910) i inni podali alternatywne, mniej restrykcyjne definicje sztywności.

Definicja

Urodzona sztywność jest spełniona, jeśli ortogonalna odległość czasoprzestrzenna między nieskończenie małymi rozdzielonymi krzywymi lub liniami świata jest stała, lub równoważnie, jeśli długość ciała sztywnego w chwilowo poruszających się układach inercjalnych mierzona standardowymi prętami pomiarowymi (tj. długość właściwa ) jest stała i wynosi dlatego podlega skurczowi Lorentza we względnie poruszających się układach. Sztywność wrodzona to ograniczenie ruchu rozciągniętego ciała, osiągnięte przez staranne przyłożenie sił do różnych części ciała. Ciało sztywne samo w sobie naruszałoby szczególną teorię względności, ponieważ jego prędkość dźwięku byłaby nieskończona.

Klasyfikację wszystkich możliwych ruchów sztywnych Borna można uzyskać za pomocą twierdzenia Herglotza – Noethera. Twierdzenie to stwierdza, że ​​wszystkie nieobrotowe sztywne ruchy Borna ( klasa A ) składają się z hiperpłaszczyzn sztywno poruszających się w czasoprzestrzeni, podczas gdy każdy obrotowy ruch sztywny Borna ( klasa B ) musi być izometrycznym ruchem Killinga . Oznacza to, że sztywne ciało Borna ma tylko trzy stopnie swobody . Tak więc ciało można w sposób sztywny Borna wprowadzić ze stanu spoczynku w dowolny postępowy , ale nie można go w sposób sztywny Borna wprowadzić ze stanu spoczynku w ruch obrotowy.

Naprężenia i sztywność Borna

Herglotz (1911) wykazał, że relatywistyczna teoria sprężystości może opierać się na założeniu, że naprężenia powstają, gdy zostaje złamany warunek sztywności Borna.

Przykładem złamania sztywności Borna jest paradoks Ehrenfesta : mimo że stan ruchu jednostajnego po okręgu ciała należy do dozwolonych sztywnych ruchów Borna klasy B , ciała nie można wprowadzić z żadnego innego stanu ruchu w jednostajny ruch po okręgu bez zerwania stan sztywności Borna podczas fazy, w której ciało podlega różnym przyspieszeniom. Ale jeśli ta faza się skończy i przyspieszenie dośrodkowe stanie się stałe, ciało może obracać się jednostajnie zgodnie ze sztywnością Borna. Podobnie, jeśli jest teraz w ruchu jednostajnym po okręgu, tego stanu nie można zmienić bez ponownego złamania sztywności Borna ciała.

Innym przykładem jest paradoks statku kosmicznego Bella : jeśli punkty końcowe ciała są przyspieszane ze stałymi przyspieszeniami właściwymi w kierunku prostoliniowym, to wiodący punkt końcowy musi mieć mniejsze przyspieszenie właściwe, aby pozostawić stałą odpowiednią długość, aby sztywność Borna była spełniona. Będzie również wykazywać rosnący skurcz Lorentza w zewnętrznym układzie bezwładnościowym, to znaczy w układzie zewnętrznym punkty końcowe ciała nie przyspieszają jednocześnie. Jeśli jednak zostanie wybrany inny profil przyspieszenia, w którym punkty końcowe ciała są jednocześnie przyspieszane z takim samym przyspieszeniem własnym, jak widać w zewnętrznym układzie inercjalnym, jego sztywność Borna zostanie złamana, ponieważ stała długość w układzie zewnętrznym implikuje zwiększenie długości właściwej w współprzesuwająca się rama ze względu na względność jednoczesności. W takim przypadku delikatna nić rozpięta między dwiema rakietami ulegnie naprężeniom (zwanym naprężeniami Herglotza – Dewana – Berana) iw konsekwencji pęknie.

Urodzone sztywne ruchy

Klasyfikacja dozwolonych, w szczególności obrotowych, sztywnych ruchów Borna w płaskiej czasoprzestrzeni Minkowskiego została podana przez Herglotza, którą badali również Friedrich Kottler (1912, 1914), Georges Lemaître (1924), Adriaan Fokker (1940), George Salzmann i Abraham H. Tauba (1954). Herglotz zwrócił uwagę, że kontinuum porusza się jak ciało sztywne, gdy linie świata jego punktów są równoodległymi krzywymi w . Wynikająca z tego światowość można podzielić na dwie klasy:

Klasa A: Ruchy bezrotacyjne

Herglotz zdefiniował tę klasę w kategoriach równoodległych krzywych, które są ortogonalnymi trajektoriami rodziny hiperpłaszczyzn , które również można postrzegać jako rozwiązania równania Riccatiego (nazywano to „ruchem płaskim” przez Salzmanna i Tauba lub „irrotacyjnym ruchem sztywnym” przez Boyera). Doszedł do wniosku, że ruch takiego ciała jest całkowicie zdeterminowany przez ruch jednego z jego punktów.

Ogólna metryka dla tych ruchów bezrotacyjnych została podana przez Herglotza, którego pracę podsumował uproszczoną notacją Lemaître (1924). Również metryka Fermiego w postaci podanej przez Christiana Møllera (1952) dla sztywnych ram z dowolnym ruchem pochodzenia została zidentyfikowana jako „najbardziej ogólna metryka dla bezrotacyjnego ruchu sztywnego w szczególnej teorii względności”. Ogólnie wykazano, że bezrotacyjny ruch Borna odpowiada tym kongruencjom Fermiego, dla których dowolna linia świata może być użyta jako linia bazowa (jednorodna kongruencja Fermiego).


Herglotz 1909

Lemaitre 1924

Moller 1952

R { \ to przyspieszenie właściwe, a promień kuli, w której znajduje się ciało, a zatem im większe przyspieszenie właściwe, tym mniejsze maksymalne rozciągnięcie sztywnego korpusu Szczególny przypadek ruchu postępowego ze stałym przyspieszeniem właściwym jest znany jako ruch hiperboliczny z linią świata


Urodzony 1909 r

Herglotz 1909


Sommerfelda 1910

Kottlera 1912, 1914

Klasa B: Obrotowe ruchy izometryczne

Herglotz zdefiniował tę klasę w kategoriach równoodległych krzywych, które są trajektoriami jednoparametrowej grupy ruchu (został on nazwany „ruchem grupowym” przez Salzmanna i Tauba i został zidentyfikowany z izometrycznym ruchem zabijania przez Felixa Piraniego i Garetha Williamsa (1962)). Zwrócił uwagę, że składają się one z linii świata, których trzy krzywizny są stałe (znane jako krzywizna , skręcanie i hiperskręt), tworząc helisę . Linie świata o stałych krzywiznach w płaskiej czasoprzestrzeni badali także Kottler (1912), Petrův (1964), John Lighton Synge (1967, który nazwał je czasopodobnymi helisami w płaskiej czasoprzestrzeni) czy Letaw (1981, który nazwał je stacjonarnymi liniami świata) jako rozwiązania wzorów Freneta-Serreta .

Herglotz dodatkowo wyodrębnił klasę B za pomocą czterech jednoparametrowych grup przekształceń Lorentza (loksodromiczna, eliptyczna, hiperboliczna, paraboliczna) w analogii do ruchów hiperbolicznych (tj. grupa hiperboliczna z w notacji Herglotza i Kottlera, w notacji Lemaître, w notacji Synge; patrz poniższa tabela) jest jedynym ruchem sztywnym Borna, który należy do obu klas A i B.

Grupa loksodromiczna (połączenie ruchu hiperbolicznego i rotacji jednostajnej)

Herglotz 1909

Kottlera 1912, 1914

Lemaitre 1924

Synge 1967
Grupa eliptyczna (jednolity obrót)

Herglotz 1909

Kottlera 1912, 1914

de Sittera 1916

Lemaitre 1924

Synge 1967
Grupa hiperboliczna (ruch hiperboliczny plus translacja przestrzenna)

Herglotz 1909

Kottlera 1912, 1914

Lemaitre 1924

Synge 1967
Grupa paraboliczna (opisująca parabolę półsześcienną )

Herglotz 1909

Kottlera 1912, 1914

Lemaitre 1924

Synge 1967

Ogólna teoria względności

Próby rozszerzenia koncepcji sztywności Borna na ogólną teorię względności podjęli Salzmann i Taub (1954), C. Beresford Rayner (1959), Pirani i Williams (1962), Robert H. Boyer (1964). Wykazano, że twierdzenie Herglotza-Noethera nie jest całkowicie spełnione, ponieważ możliwe są sztywne obracające się układy lub kongruencje, które nie reprezentują izometrycznych ruchów zabijania.

Alternatywy

Kilka słabszych substytutów zostało również zaproponowanych jako warunki sztywności, na przykład przez samego Noethera (1909) lub Borna (1910).

Nowoczesną alternatywę podali Epp, Mann & McGrath. W przeciwieństwie do zwykłej sztywnej kongruencji Borna, składającej się z „historii zbioru punktów wypełniającego objętość przestrzenną”, odzyskują sześć stopni swobody mechaniki klasycznej, używając quasilokalnej sztywnej ramy, definiując kongruencję w kategoriach „historii zbioru punktów na powierzchni ograniczających objętość przestrzenną”.

  1. ^ Urodzony (1909a)
  2. ^ a b Urodzony (1909b)
  3. Bibliografia _
  4. ^ ab Herglotz (1909)
  5. ^ ab Noether (1909)
  6. ^ a b Urodzony (1910)
  7. ^ a b c d e Salzmann & Taub (1954)
  8. ^ a b Groń (1981)
  9. Bibliografia _
  10. Bibliografia _
  11. Bibliografia _
  12. ^ ab Kottler (1912); Kottlera (1914a)
  13. Bibliografia _
  14. Bibliografia _
  15. ^ Herglotz (1909), s. 401, 415
  16. Bibliografia _ _ _
  17. ^ Giulini (2008), Twierdzenie 18
  18. Bibliografia _ 354
  19. ^ Bel (1995), twierdzenie 2
  20. Bibliografia _ 401
  21. Bibliografia _ 166, 170
  22. Bibliografia _ 254
  23. ^ Urodzony (1909), s. 25
  24. Bibliografia _ 408
  25. ^ a b Herglotz (1909), s. 414
  26. Bibliografia _ 670
  27. Bibliografia _ 1714; Kottler (1914a), tabela 1, przypadek IIIb
  28. Bibliografia _ 488
  29. ^ Herglotz (1909), s. 402, 409-415
  30. ^ abc Pirani i Willims ( 1962)
  31. Bibliografia _ 403
  32. ^ Pietrowa (1964)
  33. Bibliografia _
  34. Bibliografia _
  35. Bibliografia _ 411
  36. Bibliografia _ 1714; Kottler (1914a), tabela 1, przypadek I
  37. ^ ab Lemaître (1924), s. 175
  38. ^ Synge (1967), typ I
  39. Bibliografia _ 412
  40. Bibliografia _ 1714; Kottler (1914a), tabela 1, przypadek IIb
  41. Bibliografia _ 178
  42. Bibliografia _ 173
  43. ^ Synge (1967), typ IIc
  44. Bibliografia _ 413
  45. Bibliografia _ 1714; Kottler (1914a), tabela 1, przypadek IIIa
  46. Bibliografia _ 174
  47. ^ Synge (1967), typ IIa
  48. Bibliografia _ 1714; Kottler (1914a), tabela 1, przypadek IV
  49. ^ Synge (1967), typ IIb
  50. Bibliografia _
  51. ^ Epp, Mann i McGrath (2009)

Bibliografia

W języku angielskim:   Pauli, W. (1981) [1921]. Teoria względności . Podstawowe teorie fizyki . Tom. 165. Publikacje Dover. ISBN 0-486-64152-X .

Linki zewnętrzne