Войти в систему

Home
    - Создать дневник
    - Написать в дневник
       - Подробный режим

LJ.Rossia.org
    - Новости сайта
    - Общие настройки
    - Sitemap
    - Оплата
    - ljr-fif

Редактировать...
    - Настройки
    - Список друзей
    - Дневник
    - Картинки
    - Пароль
    - Вид дневника

Сообщества

Настроить S2

Помощь
    - Забыли пароль?
    - FAQ
    - Тех. поддержка



Пишет ПК ([info]p_k) в [info]seminar
@ 2006-09-14 10:04:00


Previous Entry  Add to memories!  Tell a Friend!  Next Entry
Релятивистская подводная лодка
Вроде как из ИТЭФа задачка. Рассмотрим подводную лодку, точно вывешенную отностительно воды. Пусть теперь лодка пришла в движение. Для экипажа лодки, движется окружающая вода, соответственно, она сжимается, ее плотность увеличивается, и лодка должна всплыть. Для окружающих рыб движется и сжимается лодка - соответственно, увеличивается плотность лодки, отчего та начнет тонуть. Вопрос - кто прав, экипаж или рыбы?

Чтобы избежать проблем с обтеканием сложных тел, поставим задачу так - есть два плоских слоя одинаковой среды, находящихся в перпендикулярном слоям однородном гравтационном поле. Давление на границе раздела определяется плотностью среды и толщиной слоя. Пусть теперь верхний слой движется относительно нижнего - нарушится ли равновесие давлений на границе (по тем же причинам, что и с лодкой)?

Я не знаю, как правильно решать задачку, но есть такие соображения. Если рассмотреть тензор энергии импульса однородной изотропной среды, то его zz-компонента (давление на границу раздела) не меняется при преобразовании Лоренца. Значит, в релятивистском случае несправедлив сам закон Архимеда (согласно ему давление должно меняться), и надо разбираться, почему так.


(Добавить комментарий)


[info]aculeata
2006-09-14 13:38 (ссылка)
>Чтобы избежать проблем с обтеканием сложных тел, поставим
>задачу так - есть два плоских слоя одинаковой среды,
>находящихся в перпендикулярном слоям однородном
>гравтационном поле. Давление на границе раздела
>определяется плотностью среды и толщиной слоя. Пусть
>теперь верхний слой движется относительно нижнего -
>нарушится ли равновесие давлений на границе (по тем же
>причинам, что и с лодкой)?

Такая двухпотоковая система сама по себе неустойчива.
Граница раздела дает черенковское излучение (в той среде,
в которой движение происходит быстрее скорости звука,
т. е. здесь в обеих). С другой стороны, малое возмущение,
волна плотности, отразившись от границы раздела, может
усилиться.

Двухпотоковая система, в которой относительное движение
происходит быстрее двойной скорости звука (если в средах
она одинаковая), служила модельной системой для изучения
взрывной неустойчивости, которая происходит от парного
рождения волн отрицательной и положительной энергии.

(Ответить) (Ветвь дискуссии)


[info]p_k
2006-09-14 13:50 (ссылка)
Такая неустойчивость есть, конечно (даже при малых скоростях, тангенциальные разрывы неустойчивы, см. шестой том Ландавшица). Но в задаче речь идет о более грубых вещах - не об устойчивости равновесия, а о самом равновесии. То есть вопрос такой - при невозмущенной границе (скажем, до развития неустойчивости), будет ли разрыв нормальной к границе компоненты давления? Вроде как получается, что нет, и надо поправку к Архимеду вводить.

(Ответить) (Уровень выше) (Ветвь дискуссии)


[info]aculeata
2006-09-14 14:55 (ссылка)
С тангенциальными разрывами у Ландау вроде как не все
гладко (из-за того, что он решал двумерную задачу,
а не трехмерную; потом его поправил Сыроватский, а
теперь обсуждают и исправленный вариант). Но это
неважно, ты прав -- просто "поверхности раздела"
в такой системе не станет раньше, чем кто-нибудь
мог бы всплыть.

Тогда, действительно, дурацкий вопрос: а как
сформулировать закон Архимеда в лоренц-инвариантных
терминах? "Вес жидкости в объеме тела" ведь таковым
не является?

(Ответить) (Уровень выше) (Ветвь дискуссии)


[info]p_k
2006-09-14 16:09 (ссылка)
Тогда, действительно, дурацкий вопрос: а как
сформулировать закон Архимеда в лоренц-инвариантных
терминах?


Именно. Можно, конечно, сказать, что "никак", в релятивиствком мире многие идеализации не работают, почему бы и гидростатике не сломаться. Но, может быть, Морозов, который вроде как эту задачу придумал, имел в виду что-то другое.

(Ответить) (Уровень выше) (Ветвь дискуссии)


[info]aculeata
2006-09-14 17:37 (ссылка)
Наверное, это был недостаточно дурацкий вопрос.
Тогда надо усугубить (и это мы можем,
пожалуйста).

Закон Паскаля получают из микроскопического
рассмотрения: хаотически движущиеся частицы
жидкости ударяются о выделенную поверхность
и передают импульс, усредняемый во времени.

1) Событие столковения частицы жидкости со
стенкой лодки/поверхностью раздела регистрируется
равно в обеих системах отсчета; что здесь могло
изменить лоренцево сокращение?

2) Что происходит с изотропностью распределения
импульсов частиц среды при переходе в другую
систему отсчета, нет ли эффектов, связанных с
конечным временем передачи импульса (оно ведь
тоже испытывает "сокращение")?

(Ответить) (Уровень выше) (Ветвь дискуссии)


[info]p_k
2006-09-14 19:19 (ссылка)
Мне кажется, в данном случае лучше сразу рассматривать тензор энергии-импульса - в нем зашифрована вся существенная информация об усредненном движении частиц среды, и если надо, ее потом можно всю извлечь и восстановить рассуждения про частицы. Если я правильно помню этот тензор для текучей среды в покое таков - везде нули, а по диагонали (epsilon, p, p, p). Здесь epsilon=rho*c^2 есть плотность энергии покоя, а p - давление. Чтобы понять, как он меняется при преобразованиях Лоренца, лучше его записать так:

T^{ij} = (epsilon+p)*u^i*u^j + p*g^{ij}

где u - четырехвектор скорости покоящейся среды (то есть (1,0,0,0)). В такой записи его тензорная природа очевидна, и при переходе в движущуюся систему достаточно заменить u на соответствующий четырехвектор скорости системы. Интересующее нас давление дается по прежнему тремя диагональными компонентами тензора энергии-импульса - xx, yy и zz. Если среда движется в направлении x, то изменяется только компонента xx, которая становится равной epsilon*sh^2(phi) + p*ch^2(phi), где phi - соответствующая быстрота; в первом неисчезающем порядке по v/c к этой компоненте давления добавляется rho*v^2, как оно и должно быть. Заметь, что тангенциальные компоненты давления не меняются вообще, ни в каком порядке по скорости.

Теперь, если хочешь, можно пытаться понять эти результаты, разбираясь с отдельными частицами, и имея в виду, что тензор энергии импульса среды проишодит от усреднения его же для отдельных частиц (для каждой из которых он представляет собой дельта-функционное распределение, сосредоточенное на ее мировой линии, с тензорной частью вида P^i*u^j, где P - четырехимпульс, а u - четрырехвектор скорости частицы. При таком подходе провраться трудно, и должно получится то же выражение, что выше.

Что касается твоих вопросов, то ответ таков - да, событий регистрируется одинаковое количество, и импульс переданный в каждом событии такой же. Однако происходят одновременно два изменения - те же события приходятся на меньшую площадь (давление должно быть больше) и они же происходят в течении дольшего времени (давление должно буть меньше), так что в итоге давление будет тем же. А изотропности не будет, xx-компонента же изменится.

Вообще-то у меня все равно пока ясности нет с этим вопросом; я попробую попозже сформулировать парадокс, если получится.

(Ответить) (Уровень выше) (Ветвь дискуссии)


[info]aculeata
2006-09-14 23:22 (ссылка)
В смысле, T^{ij} = (epsilon+p)*u^i*u^j - p*g^{ij}
(если оба сверху?). Какие продвинутые школьники
ходят в ИТЭФ. Хотя, может быть, они сами их так
учат.

>А изотропности не будет, xx-компонента же изменится.

То есть, закон Паскаля в общем случае несправедлив. Да?
Наверное, это и так ясно.
А закон Архимеда справедлив.
Прикольно, ага.

>Вообще-то у меня все равно пока ясности нет с этим
>вопросом; я попробую попозже сформулировать парадокс, если
>получится.

Будем ждать; если сокращение объема и удлиннение времени
друг друга компенсируют, я не понимаю, в чем парадокс.

(Ответить) (Уровень выше) (Ветвь дискуссии)


[info]p_k
2006-09-15 19:55 (ссылка)
Ага, опять знак у сигнатуры перепутал. Вот так и разоблачают дилетантов.

Парадокс вот когда получается. Представь себе однородное гравитационное поле (его удобно моделировать равноускоренно движущеяся по отношению к себе системой отсчета, тогда пространство-время плоское, и можно не заморачиваться с кривизной). Возьмем корыто с плоским дном, на котором лежит кирпич. Рассмотрим две ситуации - кирпич просто лежит, и кирпич скользит без трения от стенки к стенке, каждый раз от них упруто отражаясь. Во втором случае, давление кирпича на единицу площади корыта будет таким же, как и для неподвижного кирпича, однако длина его будет меньше, соответственно вес (то есть, импульс, переданный в одну секунду по часам наблюдателя на корыте) будет меньше в 1/ch(phi) раз. То же самое получится, если посадить наблюдателя на кирпич - для него пройдет за это время пройдет 1/ch(phi) секунды, но давление будет приходится на неизменную площадь, то есть переданный импульс будет таким же, что и для наблюдателя на корыте. Все вроде сходится, и движущийся кирпич должен весить меньше неподвижного. А теперь вопрос - а как это согласуется с E=mc^2? Ведь по этой формуле кирпич должен весит в ch(phi) раз больше, а не меньше неподвижного!

(Ответить) (Уровень выше)


[info]tristes_tigres
2006-09-15 01:38 (ссылка)
Надо упростить задачу. Замените слой жидкости на две тонкие перегородки, между которыми скачут строго вверх-вниз абс. упругие шарики. Плотность это количество шариков на единицу длины. Давление это число ударов в единицу времени умноженное на удвоенный импульс шарика. И да снизойдёт на вас просветление.

(Ответить) (Ветвь дискуссии)


[info]p_k
2006-09-15 19:56 (ссылка)
С этим все в порядке (хотя мне проще с тензором энергии-импульса, там все усреднения уже проделаны). Если стенка, об которую бьются шарики, движется, то каждый сантиметр ее сокращается, поэтому за секунду неподвижного наблюдателя он получит меньше ударов. Но за ту же секунду для наблюдателя, движущегося вместе со стенкой, пройдет меньше секунды, ровно во столько раз, во сколько сократится длина. Если еще учесть, что переданный импульс не меняется (движение происходит в перпендикулярном направлении), то получается, как и должно быть из рассмотрения с T^ij - что давление на стенку не зависит от ее скорости.

Парадокс по другому выходит, я про это Юле вот тут написал

(Ответить) (Уровень выше)


[info]ded_mitya
2006-09-15 07:42 (ссылка)
Тут вот какое дело (опять же, деталей не помню).
Лоренцевское сокращение кажужееся и связано с
невозможностью одновременно померить координаты
концов отрезка (подводной лодки) за исключением
того случая, когда она покоится в вашей системе
отсчета. Но формальным образом померянная плотность
включает в себя две величины - объем (неизменное
сечение подлодки, поскольку движение осуществляется
в перпендикулярном ему направлении на "сжатую" длину)
и массу, которая тоже претерпевает лоренцевское
увеличение, но не засчет "утяжеления" каждой частицы.
Если посчитать плотность, то лоренцевский фактор
появится два раза. Меня мучают сомнения - не посчитал
ли я его лишний раз по недомыслию?

(Ответить) (Ветвь дискуссии)


[info]p_k
2006-09-15 20:08 (ссылка)
Все правильно посчитали, но только для пылевидной материи. Если у нее есть ненулевое давление в собственной системе отсчета, то он даст небольшой вклад в плотность:

rho' = rho*ch^2(phi) + p*sh^2(phi)/c^2

Здесь первый член как раз есть квадрат Лоренцева фактора (ch(phi)=1/sqrt(1-v^2/c^2)), а второй - поправка то давления. Проще всего это из тензора энергии-импульса получить, если его повернуть по Лоренцу.

С лодкой парадокс ка-то растворился, но появился новый - с кирпичом в корыте.

(Ответить) (Уровень выше)