假設一半徑為 的球體,其密度 只與到球心 的距離 有關。假設有一質點 的質量為 ,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 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 。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。
若質量不集中在球心,用球坐標,則球上一小體積 對距離 處的質點 的引力在 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 的引力為
與 都和 , 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 積分時(因此 不變),把變數 及 都換成變數 ,而變成對 積分:
由後一式得(對 積分時, 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 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 。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
從 0 到 2π是水平面上的輻角, 從 0 到π,從z軸起算,相當 扣掉(北)緯度。(在北極是0而在南極是π)
=
令 ,
-原式 =
=
=
令 ,
=
令
得
- (I)
如果 時, 表示質點在球的外部
, , 。
。
。
亦即 。
=
=
(1)+(2)得 ,再乘以 得 再乘上 ,得 相當質量" "集中在原點,對 的重力。
- (II)
如果 時,在所有計算中,牽涉到 都要改為
(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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