積分》  
  範例 49:球體對一質點的引力  
  球體對一質點的引力,是否和質量全集中在球心後對質點的引力是相等的呢?
 
  《 解答 》  
 

假設一半徑為 width=14 的球體,其密度 width=33 只與到球心 width=14 的距離 width=10 有關。假設有一質點 width=14 的質量為 width=16,其到球心的距離為 ,則球的質量為 ,而把質量集中在球心後對質點 width=14 的引力,根據萬有引力定律且假設萬有引力常數(在適當的單位取法下)為 1,為 width=27。Newton在考慮引力問題時,所遇到的問題之一就是,球體對質點的引力,是否和質量全集中在球心後對質點的引力是相等的。


width=253


若質量不集中在球心,用球坐標,則球上一小體積 對距離 width=8 處的質點 width=14 的引力在 width=29 方向的分力為(因為對稱的關係,引力總和必在此方向)


所以整個球體對質點 width=14 的引力為


width=12width=8 都和width=12width=10 有關,所以該化成為它們的函數,才能開始積分。

然而這樣的積分是積不出來的,據說這是Newton遲遲未能發表萬有引力原理的一個原因。

Newton後來還是把問題解決了,解決之道在於處理對 width=12 積分時(因此 width=10 不變),把變數 width=12width=12 都換成變數 width=8,而變成對 width=8 積分:


由後一式得(對 width=12 積分時,width=10 為常數)


將這式子代入積分式得


資料來源:取材自曹亮吉主編微積分, 歐亞書局出版

問題:如果質點width=14在球的內部,則結果如何?(補充部份)關於質點受到球體的重力,若是以重積分計算時,不妨設該點的位置在width=58。球體球心在(0,0,0),半徑為 1。重力只需考慮 z 軸方向,大小是


width=12 從 0 到 2π是水平面上的輻角,width=14從 0 到π,從z軸起算,相當 width=8 扣掉(北)緯度。(在北極是0而在南極是π)


=

-原式 =
=
=

width=77


=

(I)

如果 時, 表示質點在球的外部







亦即

=



=

(1)+(2)得 width=34,再乘以 width=44width=22 再乘上 ,得 相當質量"width=25"集中在原點,對 width=58 的重力。

(II)

如果 時,在所有計算中,牽涉到 width=80 都要改為 width=42

(1)式變成

(2)式變成

(3)+(4)得 0,亦即在球內部所受的重力為 0。


 
 
 
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