プリンキピア

第13章万有引力

Challenge Problems発展問題

Exercises 81–88練習問題 81–88
Exercise 81問題 81
A tunnel is dug through the center of a perfectly spherical and airless planet of radius R. Using the expression for g derived in Gravitation Near Earth’s Surface for a uniform density, show that a particle of mass m dropped in the tunnel will execute simple harmonic motion. Deduce the period of oscillation of m and show that it has the same period as an orbit at the surface.
英語のヒント
半径Rの、完全に球形で大気のない惑星の中心を通るトンネルを掘る。「地表付近の重力」で一様密度について導いたgの式を使い、トンネルへ落とした質量mの粒子が単振動することを示せ。mの振動周期を導き、その周期が惑星表面での公転周期と同じであることを示せ。
Solution解き方
g=43Gρπr→F=mg=[43Gmρπ]r, and from F=md2rdt2, we get d2rdt2=[43Gρπ]r where the first term is ω2. Then T=2πω=2π34Gρπ and if we substitute ρ=M4/3πR3, we get the same expression as for the period of orbit R.
英語のヒント
g=43Gρπr→F=mg=[43Gmρπ]rであり、F=md2rdt2からd2rdt2=[43Gρπ]rを得る。ここで第1項はω2である。するとT=2πω=2π34Gρπとなり、ρ=M4/3πR3を代入すれば、半径Rの軌道の周期と同じ式になる。
Exercise 82問題 82
Following the technique used in Gravitation Near Earth’s Surface, find the value of g as a function of the radius r from the center of a spherical shell planet of constant density ρ with inner and outer radii Rin and Rout . Find g for both Rin<r<Rout and for r<Rin. Assuming the inside of the shell is kept airless, describe travel inside the spherical shell planet.
英語のヒント
「地表付近の重力」で使った方法に従い、内半径Rin 、外半径Rout 、一定の密度ρを持つ球殻状の惑星について、中心からの距離rの関数としてgを求めよ。R内<r<R外の場合とr<R内の場合の両方で求める。球殻の内部を真空に保つとすると、その内部を移動する様子を説明せよ。
Exercise 83問題 83
Show that the areal velocity for a circular orbit of radius r about a mass M is ΔAΔt=12GMr. Does your expression give the correct value for Earth’s areal velocity about the Sun?
英語のヒント
質量Mの周りを回る半径rの円軌道の面積速度が、ΔAΔt=12GMrとなることを示せ。この式は、太陽を回る地球の面積速度について正しい値を与えるか。
Solution解き方
Using the mass of the Sun and Earth’s orbital radius, the equation gives 2.24×1015m2/s. The value of πRES2/(1year) gives the same value.
英語のヒント
太陽の質量と地球の軌道半径を使うと、この式は2.24×1015m2/sを与える。πRES2/(1年)も同じ値になる。
Exercise 84問題 84
Show that the period of orbit for two masses, m1 and m2, in circular orbits of radii r1 and r2, respectively, about their common center-of-mass, is given by T=2πr3G(m1+m2)wherer=r1+r2. (Hint: The masses orbit at radii r1 and r2, respectively where r=r1+r2. Use the expression for the center-of-mass to relate the two radii and note that the two masses must have equal but opposite momenta. Start with the relationship of the period to the circumference and speed of orbit for one of the masses. Use the result of the previous problem using momenta in the expressions for the kinetic energy.)
英語のヒント
二つの質量m1、m2が、共通重心の周りをそれぞれ半径r1、r2の円軌道で回るとき、公転周期がT=2πr3G(m1+m2)ここでr=r1+r2で与えられることを示せ。(ヒント:二つの質量はそれぞれ半径r1、r2の軌道を回り、r=r1+r2が成り立つ。重心の式を使って二つの半径を関係付ける。また、二つの質量の運動量は、大きさが等しく逆向きでなければならない。一方の質量について、周期と軌道の円周、速さとの関係から始める。前問の結果を使い、運動エネルギーの式を運動量で表す。)
Exercise 85問題 85
Show that for small changes in height h, such that h<<RE, Equation 13.4 reduces to the expression ΔU=mgh.
英語のヒント
h<<REとなるほど高さhの変化が小さいとき、重力による位置エネルギーの式がΔU=mghという形になることを示せ。
Solution解き方
ΔU=Uf−Ui=−GMEmrf+GMEmri=GMEm(rf−rirfri) where h=rf−ri. If h<<RE, then rfri≈RE2, and upon substitution, we have
英語のヒント
ΔU=Uf−Ui=−GMEmrf+GMEmri=GMEm(rf−rirfri)であり、h=rf−riである。h<<REならrfri≈RE2となるので、代入すると次のようになる。
ΔU=GMEm(hRE2)=m(GMERE2)h where we recognize the expression with the parenthesis as the definition of g.
英語のヒント
ΔU=GMEm(hRE2)=m(GMERE2)hとなる。括弧内の式はgの定義であると分かる。
Exercise 86問題 86
Using Figure 13.10, carefully sketch a free body diagram for the case of a simple pendulum hanging at latitude lambda, labeling all forces acting on the point mass, m. Set up the equations of motion for equilibrium, setting one coordinate in the direction of the centripetal acceleration (toward P in the diagram), the other perpendicular to that. Show that the deflection angle ε, defined as the angle between the pendulum string and the radial direction toward the center of Earth, is given by the expression below. What is the deflection angle at latitude 45 degrees? Assume that Earth is a perfect sphere. tan(λ+ε)=g(g−ω2RE)tanλ, where ω is the angular velocity of Earth.
英語のヒント
図13.10を使い、緯度λでつるした単振り子の自由物体図を注意深く描き、質点mに働くすべての力を記せ。一方の座標軸を向心加速度の方向(図のPへ向かう方向)、もう一方をそれに垂直な方向として、つり合いについての運動方程式を立てよ。振り子の糸と地球の中心へ向かう半径方向のなす角を偏角εと定義し、これが次の式で与えられることを示せ。緯度45度での偏角はいくらか。地球は完全な球とする。tan(λ+ε)=g(g−ω2RE)tanλ。ここでωは地球の角速度である。
Exercise 87問題 87
(a) Show that tidal force on a small object of mass m, defined as the difference in the gravitational force that would be exerted on m at a distance at the near and the far side of the object, due to the gravitation at a distance R from M, is given by Ftidal=2GMmR3Δr where Δr is the distance between the near and far side and Δr<<R. (b) Assume you are falling feet first into the black hole at the center of our galaxy. It has mass of 4 million solar masses. What would be the difference between the force at your head and your feet at the Schwarzschild radius (event horizon)? Assume your feet and head each have mass 5.0 kg and are 2.0 m apart. Would you survive passing through the event horizon?
英語のヒント
(a) 質量Mから距離Rにある小さな物体の潮汐力を、物体の近い側と遠い側に質量mを置いたときの重力の差として定義する。この力がF潮汐=2GMmR3Δrで与えられることを示せ。Δrは近い側と遠い側の距離で、Δr<<Rである。(b) 銀河中心のブラックホールへ、足を先にして落ちるとする。その質量は太陽質量の400万倍である。シュワルツシルト半径(事象の地平面)で、頭と足に働く力の差はいくらか。頭と足の質量はそれぞれ5.0 kg、間隔は2.0 mとする。事象の地平面を通過しても生き延びられるか。
Solution解き方
a. Find the difference in force,
Ftidal==2GMmR3Δr;
b. For the case given, using the Schwarzschild radius from a previous problem, we have a tidal force of 9.5×10−3N. This won’t even be noticed!
英語のヒント
(a) 力の差を求めると、F潮汐==2GMmR3Δrとなる。(b) 与えられた条件で、前問のシュワルツシルト半径を用いると、潮汐力は9.5×10−3Nとなる。これには気づくことさえない!
Exercise 88問題 88
Find the Hohmann transfer velocities, ΔvEllipseEarth and ΔvEllipseMars, needed for a trip to Mars. Use Equation 13.7 to find the circular orbital velocities for Earth and Mars. Using Equation 13.4 and the total energy of the ellipse (with semi-major axis a), given by E=−GmMs2a, find the velocities at Earth (perihelion) and at Mars (aphelion) required to be on the transfer ellipse. The difference, Δv, at each point is the velocity boost or transfer velocity needed.
英語のヒント
火星への航行に必要なホーマン遷移の速度Δv楕円・地球、Δv楕円・火星を求めよ。円軌道の公転速度の式を使い、地球と火星の円軌道速度を求める。重力による位置エネルギーの式と、半長軸aの楕円の全エネルギーE=−GmMs2aを使い、遷移楕円上に乗るために必要な地球(近日点)と火星(遠日点)での速度を求めよ。それぞれの点での速度差Δvが、必要な増速、すなわち遷移速度である。
action-at-a-distance force
遠隔作用の力
type of force exerted without physical contact
英語のヒント
物理的な接触なしに及ぼされる力。
black hole
ブラックホール
mass that becomes so dense, that it collapses in on itself, creating a singularity at the center surround by an event horizon
英語のヒント
密度が非常に高くなって自身の内側へ崩壊し、中心に特異点を作り、その周囲を事象の地平面に囲まれる質量。
event horizon
事象の地平面
location of the Schwarzschild radius and is the location near a black hole from within which no object, even light, can escape
英語のヒント
シュワルツシルト半径の位置。ブラックホールの近くにあり、その内側からは光を含め、どの物体も脱出できない境界。
neutron star
中性子星
most compact object known—outside of a black hole itself
英語のヒント
ブラックホール自体を除けば、知られている中で最もコンパクトな天体。
non-Euclidean geometry
非ユークリッド幾何学
geometry of curved space, describing the relationships among angles and lines on the surface of a sphere, hyperboloid, etc.
英語のヒント
曲がった空間の幾何学。球面や双曲面などの上で、角度と線の関係を記述する。
principle of equivalence
等価原理
part of the general theory of relativity, it states that there no difference between free fall and being weightless, or a uniform gravitational field and uniform acceleration
英語のヒント
一般相対性理論の一部。自由落下と無重量状態、または一様な重力場と一様な加速度の間には、違いがないとする原理。
Schwarzschild radius
シュワルツシルト半径
critical radius (RS) such that if a mass were compressed to the extent that its radius becomes less than the Schwarzschild radius, then the mass will collapse to a singularity, and anything that passes inside that radius cannot escape
英語のヒント
臨界半径(RS)。質量を、その半径がシュワルツシルト半径より小さくなるまで圧縮すると、特異点へ崩壊し、この半径の内側へ入ったものは何も脱出できない。
space-time
時空
concept of space-time is that time is essentially another coordinate that is treated the same way as any individual spatial coordinate; in the equations that represent both special and general relativity, time appears in the same context as do the spatial coordinates
英語のヒント
時間を、個々の空間座標と同じように扱う、もう一つの座標とする考え方。特殊相対性理論と一般相対性理論を表す方程式では、時間は空間座標と同じ文脈で現れる。
theory of general relativity
一般相対性理論
Einstein’s theory for gravitation and accelerated reference frames; in this theory, gravitation is the result of mass and energy distorting the space-time around it; it is also often referred to as Einstein’s theory of gravity
英語のヒント
重力と加速する基準系に関するアインシュタインの理論。この理論では、重力は質量とエネルギーが周囲の時空をゆがめた結果である。アインシュタインの重力理論と呼ばれることも多い。