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閆子涵:Interesting Examples, No. 1?

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圖標

均為本人所著)

問題:地球關於極軸和赤道軸的轉動慣量相差三百分之一。假設地球赤道膨脹的質量集中在一個環繞赤道的環上,只考慮來自太陽的力矩,請估計地球自轉軸在仲夏的瞬時進動率。地球的自轉軸與公轉軌道的法線呈 23.5° 角。

我的解答:假設一個質量為 m 的環導致了轉動慣量的差。其餘部分為一球,質量為 M 半徑為 R ,如下圖。

假設膨出部分為一環

那麼:

I_1 = frac{2}{5}MR^2 + frac{1}{2} mR^2

I_3 = frac{2}{5} M R^2 + m R^2

根據題幹我們有:

frac{I_3 - I_1}{I_1} = frac{frac{1}{2}mR^2}{frac{2}{5}MR^2 + frac{1}{2} mR^2} approx frac{5m}{4M}approx frac{1}{300}

繼而推得:

m approx frac{4}{5}frac{1}{300}M

但是 m + M = M_{	ext{earth}},我們得到:

m approx frac{1}{376} M_{	ext{earth}}

我們現在需要估算環上的力矩。

環的模型

我們假設環的質量均勻分佈。 mathbf{D} 為從太陽到環上某質量微元 	ext{d}m 的位移。 mathbf{R} 為從環的幾何中心(地心)到該質量微元的位移。作用於 	ext{d}m 的力矩為:


ewcommand{dd}{	ext{d}} 
ewcommand{vbb}[1]{oldsymbol{#1}} 
ewcommand{vb}[1]{mathbf{#1}} egin{align} dd vbb{	au} &= vb R 	imes dd vb F\ & = - vb R 	imes frac{GM_{odot} dd m}{|vb D + vb R|^3}(vb D + vb R)\ & = - vb R 	imes vb D frac{GM_{odot}
ho Rddphi}{|vb D + vb R|^3} end{align}

用角度 phi 參數化, 
ewcommand{dd}{	ext{d}} 
ewcommand{vbb}[1]{oldsymbol{#1}} 
ewcommand{vb}[1]{mathbf{#1}}  vb R = R(cosphi,sinphi,0),quad vb D = D(cosalpha,0,-sinalpha) ,我們有 
ewcommand{dd}{	ext{d}} 
ewcommand{vbb}[1]{oldsymbol{#1}} 
ewcommand{vb}[1]{mathbf{#1}} vb R 	imes vb D = RD(-sinphi sinalpha,cosphisinalpha, - sinphicosalpha)
ewcommand{dd}{	ext{d}} 
ewcommand{vbb}[1]{oldsymbol{#1}} 
ewcommand{vb}[1]{mathbf{#1}}  vb D cdot vb R = DRcosphicosalpha

根據 D gg R,我們使用以下近似:


ewcommand{dd}{	ext{d}} 
ewcommand{vbb}[1]{oldsymbol{#1}} 
ewcommand{vb}[1]{mathbf{#1}}  egin{align} |vb D + vb R|^{-3} &= (|vb D + vb R|^2)^{-frac{3}{2}}\ &approx left[D^2left(1 + frac{2vb D cdot vb R}{D^2}
ight) 
ight]^{-frac{3}{2}}\ &= D^{-3}left(1 - frac{3vb D cdot vb R}{D^2}
ight) end{align}

我們估計總力矩為:


ewcommand{dd}{	ext{d}} 
ewcommand{vbb}[1]{oldsymbol{#1}} 
ewcommand{vb}[1]{mathbf{#1}}  vbb 	au = -frac{GM_{odot}
ho R^2}{D^2}int_0^{2pi}dd phi left(1 - frac{3Rcosphicosalpha}{D}
ight)(-sinphisinalpha,cosphisinalpha,-sinphicosalpha)

組合為 sinphicosphisinphicosphi 的項從 0 積分到 2pi 為零,所以:


ewcommand{dd}{	ext{d}} 
ewcommand{vbb}[1]{oldsymbol{#1}} 
ewcommand{vb}[1]{mathbf{#1}} vbb	au = frac{3GM_{odot}
ho R^3 sinalphacosalpha}{D^3}vb j int_0^{2pi}cos^2phi ddphi = vb j frac{3pi GM_{odot}
ho R^3sin 2alpha}{2D^3}

根據 m = 2pi R 
ho


ewcommand{dd}{	ext{d}} 
ewcommand{vbb}[1]{oldsymbol{#1}} 
ewcommand{vb}[1]{mathbf{#1}} vbb	au = frac{3GM_{odot}mR^2sin 2alpha}{4D^3}vb j

現在棘手的問題已經解決。由於3-軸角動量的進動為其在1-2-平面的分量隨力矩的變化,瞬時進動率為 dot phi = frac{	au}{J_3 sinalpha}。3-軸角動量為 J_3 = I_3 Omega

帶入具體數字:

egin{align} &G = 6.67 	imes 10^{-11} 	ext{ m$^3$ kg$^{-1}$ s$^{-2}$}\ &M_{odot} = 1.989 	imes 10^{30} 	ext{ kg}\ &M_{	ext{earth}} = 5.972 	imes 10^{24}	ext{ kg}\ &m = frac{1}{376}M_{	ext{earth}}\ &M = frac{375}{376} M_{	ext{earth}}\ &R = 6.371	imes 10^{6}	ext{ m}\ & alpha = 23.5^{circ}\ & D = 1.496 	imes 10^{11} 	ext{ m}\ & Omega = frac{2pi}{24 	imes 3600} 	ext{ s$^{-1}$} end{align}

我們得到最終答案:

dot phi = 4.98 	imes 10^{-12} 	ext{ rad s$^{-1}$} = 1.57 	imes 10^{-4} 	ext{ rad yr$^{-1}$}


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