научная статья по теме О ДВИЖЕНИИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ ПЛАНЕТ И УСТОЙЧИВОСТИ ИХ СТАЦИОНАРНЫХ ВРАЩЕНИЙ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «О ДВИЖЕНИИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ ПЛАНЕТ И УСТОЙЧИВОСТИ ИХ СТАЦИОНАРНЫХ ВРАЩЕНИЙ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, том 48, № 3, с. 279-288

УДК 531.391

О ДВИЖЕНИИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ ПЛАНЕТ И УСТОЙЧИВОСТИ ИХ СТАЦИОНАРНЫХ ВРАЩЕНИЙ © 2010 г. В. Г. Вильке

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Поступила в редакцию 26.05.2008 г.

В качестве модели планетной системы рассматривается механическая система, состоящая из N деформируемых шаров, взаимодействующих по закону всемирного тяготения. Деформации вязкоупругих шаров описываются согласно модели теории упругости малых деформаций, модели вязких сил Кельвина— Фойхта и происходят под действием гравитационных полей и полей центробежных сил. Методом разделения движений на основе решений квазистатических задач теории вязкоупругости с учетом малости деформаций шаров построены приближенные уравнения, описывающие движения центров масс шаров и их вращения относительно центров масс. Используя первый интеграл сохранения момента количеств движений системы относительно ее центра масс, получено выражение измененной потенциальной энергии с использованием методики Рауса. Проведено исследование стационарных вращений и показано, что все они неустойчивы, если число планет больше двух.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. УРАВНЕНИЯ НЕВОЗМУЩЕННОГО ДВИЖЕНИЯ

Известна модель Солнечной системы, в которой тела представляются материальными точками и взаимодействуют по закону всемирного тяготения [1]. В этой модели тела можно рассматривать как абсолютно твердые шары со сферическим распределением плотности. Гравитационный потенциал такого тела совпадает с потенциалом материальной точки, а вращение каждого шара относительно его центра масс происходит с постоянной угловой скоростью. Движение относительно центра масс шара представляется вращением с постоянной угловой скоростью относительно оси произвольного направления, а движение центров масс шаровых планет идентично движению в соответствующей задаче N тел.

Заметим, что формы планет Солнечной системы близки к шаровым, поскольку доминирующими силами при формировании планет являются гравитационные силы, которым противодействуют силы молекулярного взаимодействия в веществе планеты. Форма небесного тела может сильно отличаться от шаровой, если масса тела мала и, соответственно, малы гравитационные силы (случай астероидов).

Рассмотрим модель Солнечной системы, представленной в невозмущенном состоянии N однородными вязкоупругими шарами. Под действием собственного вращения и приливных гравитационных сил шаровая планета меняет свою форму: происходит "сплющивание" планеты в направлении вектора ее угловой скорости и формирование приливных горбов по линиям, соединяющим центр планеты с центрами остальных планет. Предполо-

жим, что приливные гравитационные, центробежные и упругие силы приводят к малому изменению шаровой формы планеты. Методом разделения движений будут получены уравнения, описывающие движения центров масс планет и их собственные вращения. В предложенной модели имеет место диссипация энергии, источником которой являются внутренне вязкие силы каждой планеты. В результате деформаций планет в законе всемирного тяготения появляются малые консервативные поправки. Уравнения движения допускают в качестве решений стационарные вращения вокруг постоянного вектора момента количеств движения, которые оказываются неустойчивыми в случае, если число планет больше двух. Частные случаи этой модели рассматривались в работах [2, 3, 4].

Рассмотрим в качестве невозмущенной системы изолированную систему N абсолютно твердых однородных шаров, взаимодействующих друг с другом по закону всемирного тяготения. Пусть ОХ1Х2Х3 инерциальная система координат, начало которой совпадает с центром масс системы. Введем следующие величины: И,-, т, р¡, а, А — радиус-вектор центра - -того шара, его масса, плотность, радиус шара и момент инерции относительно центра масс шара точки С I. Справедливы равенства

т = 4па3р* А = 5т^2, ^т И- = 0

-=1

N

£([К - X т1 К,]+Ь -) = в ез.

-=1

Последнее равенство в (1) выражает закон сохранения момента количеств движения относительно центра масс системы в предположении, что постоянный вектор момента количеств движения О направлен по оси ОХ3 с единичным вектором е 3. Момент количеств движения однородного шара относительно его центра масс Ц = Л/А , где угловая скорость г -того шара, также постоянен, поскольку внешние силы гравитации не создают момента относительно центра масс шара в силу его сферической симметрии. В системе имеет место разделение движений: вращение каждого шара относительно его центра происходит с постоянной угловой скоростью и не влияет на движение их центров.

Потенциальная энергия поля гравитационных сил имеет вид

N

no(R1,...,R n) = - X Y mm [R 2-Г1/2,

(2)

R ij - R i - R j.

Здесь у — универсальная гравитационная постоянная. Уравнения движения центров масс представляются в форме

N

щ Ri = - Vr По = - X

Y щ-

j * i

R

R-

3 J

(3)

i = 1,...,N; = R;J.

Уравнения (3) интегрируются только при N = 2 (задача двух тел Кеплера—Ньютона). Отметим существование двух первых интегралов движения — закона сохранения энергии

Т(К !,..Д н) + ЩКЬ...,К N) = К

Т = 2 ¿т К 2

г = 1

и ранее упомянутого в (1) закона сохранения момента количеств движения.

2. УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ДЕФОРМИРУЕМЫХ ШАРОВ

гральным образом связана с шаром, поскольку справедливы условия

ju ( r,t)dx(i) = 0, Jrot u ( r,t)dx(i) = 0,

Vi = {r : |г,| < a,}.

Обозначим Г,- (s,(t)), s,(t) = (s1i(t), s2i(t)s3i(t)) — ортогональный оператор перехода от системы координат Cix1ix2ix3i к инерциальной системе координат OX1X2X3. Здесь s(- локальные координаты на группе вращений трехмерного пространства, например, углы Эйлера [5].

Функционал потенциальной энергии гравитационных сил взаимодействия двух деформируемых шаров равен

+ П7 + п Jt.

R-

Щ =

Y щ-

1 Jr- u i P i

dxi) -

(4)

-RT J(Rij,rir)(Rij-,riui)Pidx

\

(i)

В выражении потенциальной энергии (4) оставлены два первых члена в разложении по малым величинам а/Щ, а/Щ и члены первого порядка малости по перемещениям. Потенциал гравитационных сил для всей системы в этом случае представляется в форме

n[R 1,...,RN,u1,...,uN, Г1,...,ГN] -

N

= П 0 + X П ij.

(5)

i * j

В дальнейшем, согласно методу разделения движений [3], перемещения и г в выражении потенциала (5) будут заменены соответствующими решениями квазистатических задач линейной теории упругости малых деформаций.

Примем в качестве модели вязкоупругих сил модель теории упругости малых деформаций и соответствующую ей модель вязких сил Кельвина— Фойхта [3]

Е[и г] = 27ТГ-) \l-T2-(div и г)2 +

2(1 + Vг) •> 1 -2уг

Пусть рассматриваемые шары деформируемы. Свяжем с каждым шаром систему координат С х1г х2г х3г и обозначим через и;(г;-, ^, |гг| < а1 поле перемещений точек -того шара при деформациях. Система координат С ¡хи хъ х3г, согласно [3], инте-

X e«,i]dxw;

1

i

(du

k i + д Uli)

k, l=1

2 д xii дxki Di [ii= х- Ei [u; ui = (%, U2i, щ) ,

r = (x1i, x2i, x3i), Xi > 0.

Здесь Е 1[и,], Д[и] — функционалы упругих и диссипативных сил соответственно, Е, V 1 — модуль упругости и коэффициент Пуассона материала I -того шара, х г — коэффициент, определяющий вязкие свойства материала шара. Деформация шара возникает за счет поля центробежных сил инерции вследствие вращения шара и поля градиента гравитационных сил. Предполагается, что перемещения точек шара малы, что обеспечивается малостью безразмерных параметров б,-у = р,-уту Я- а2 Е-1 и ею =

= рI га2(0) а2 Е-1, где — угловая скорость шара или системы координат С- х1;-х2гх3;-.

Напишем уравнения динамической линейной теории упругости малых деформаций для I -того шара в системе координат C¡ хи х2{ х3;- [3]

Р-{ий- + [ю;-х(г;- + и-)] + [ш;- х [ш;-х(г- + и-)]] + 2[м;- х II] + + У„. Е-[и] + х- V* Е[и] + VиП = 0,

(7)

Рп|г,

дУ

= о,

N

+

Ху иП- у = 0 Рп1г- еау- = 0,

(8)

у *>

V иП у = р Ц2 [ г - 3(Г-1 И у г) Г-1 И; у], Ц2 = у ту Я-3, И]у = Иу Иу|-1.

Взаимные расстояния между шарами в уравнениях (8) рассматриваются как переменные, удовлетворяющие уравнениям невозмущенной задачи (3), а угловая скорость шара ю, постоянна в невозмущенном движении. Будем считать вязкость упругого ша-

ра малой и найдем решение уравнения (8) в виде сходящегося ряда

и^Чг, 0 = VоХг) + V Хг) +

+ X (-Х-)

к = 0, у * -

N

-С V ¿у(г, р сИк

V 0ХГ) + V Хг) +

(9)

+ 0 - XV ¿/г, Щ,

у * -

где соответствующие функции являются решениями граничных задач

где потенциал упругих сил определен в (6). Последнее равенство в (7) означает равенство нулю напряжений на поверхности шара. Согласно методу разделения движений [3] решение уравнения (7) ищется в виде ряда иДг,?) = бги1;(г;-,0 + ... по малому

параметру = Е-. Такой вид малого параметра может быть достигнут путем соответствующего выбора размерных величин в каждой задаче о деформации упругого шара. Если в уравнении (7) сохранить члены нулевого порядка малости по этому малому параметру, то динамическая задача теории упругости редуцируется в квазистатическую задачу

р;{[ю;х г;] + [ю;-х [ю;- х г;]]} + + б;-{ Vи-Е;-[и 1--] + ъ Vи-Е [и 1--]}+

е^ vо¿ Е[\ 0-] = 2р;ю2 г, рПг еау = 0, щ = (Ю1Й Ю2;■, ®зг);

Б/ VV- Е¡[V ] = р !Б1 г, рУ = 0,

2

е- Vv/уE^V/у] = рАуДу г, рп|г = 0,

Я-у = (3ек, -у е1,1у - 8к^ г,:1 И°ц =

(10)

(11)

(12)

=е- у =(е

Му е2,(у у,

Здесь 5 к1 — символ Кронекера. Решение задачи (10) определяет сферически симметричную часть деформации шара вследствие его вращения и имеет вид [6]

V0- = g 1 (г) г, g/ (г) = - 2/3 р;- ю2 (Сц г2 + с^),

Си

(1 + V -)(1 - 2у -)

2(4 - 3У -) _ (3 - V-)(1 - 2у^„2

С„=-

2(4 - 3у-)

а;-.

При этой деформации обращается в нуль потенциальная энергия взаимодействия деформированных шаров Пу, так как интеграл по шару

¡Е(г)[г2 - 3(г,е)2]Сх = 0,

где е — произвольный единичный вектор. Матрицы В,, Вуимеют нулевые следы, и решения задач (11), (12) представляются в форме [6]

V, = с,- [% (В г,, г,) г,- + (а2 ;г2 + а3) В1 г,],

с = р,;

V ц _ си [% (Ви г,, г^г, + (а-г, + аъ) Вц г,], сц _ Р,^у

(13)

Пу = [с (ВУ у у,;) +

N

+ХсАУо-, у, у)], У и = Г].

к Ф,

(14)

П у = - ту к -3(«„ У, у)2+

N

+^^(е, к, у,/-3]}, к, = у Д. р2 Е,-1.

(15)

к Ф1

ни

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком