.3 תרגיל מס - שת" ע (- 77606 ) תורת הרצף פתרון
Transcription
.3 תרגיל מס - שת" ע (- 77606 ) תורת הרצף פתרון
תורת הרצף ) - 77606תש"ע ( -פתרון תרגיל מס.3 . .1כוכב נמצא בשיווי משקל הידרוסטטי של גז פוליטרופי . p = K ρ γהראו שמשוואת שווי המשקל ההידרוסטטי ניתנת לכתיבה בצורה )*( dp ) M (r = −G 2 dm r r ) , (4π r 2 . dm = 4π r ρ dr , M (r ) = ∫ dm 2 0 נתונה הפרעה הומולוגית מהצורה ) , α << 1 , r ′ = r ⋅ (1 + αכאשר הרדיוס כאן מתייחס למסה לגרנז'ית קבועה dm′ = dm . M (r ′) = M (r ), א .הראו שתחת הפרעה זו ,והנחת אדיאבטיות ,הקרוב מסדר ראשון לגדלים המופרעים הוא ) , ρ ′ = ρ (1 − 3αולכן ) . p′ = p (1 − 3αγ תשובה :עבור אלמנט מסה לגרנזי קיים )בקרוב מסדר ראשון( : dm dm dm = ) (1 − 3α = (1 − 3α ) ρ 2 3 2 4π r ′ dr ′ 4π (1 + α ) r dr 4π r 2 dr = ρ′ הקרוב ללחץ מתקבל מיידית מפיתוח טיילור בסדר ראשון של משוואת המצב . ב .כתבו משוואת תנועה לגרנז'ית במשתנים המופרעים ) בצורה דומה ל )*( (. Du ∂p′ M ) = −(4π r ′2 −G 2 Dt ∂m r′ תשובה: ג .בעזרת א, .ומשוואת שיווי המשקל ההידרוסטטי ,הראו כי מתקיים בסדר ראשון Du M ) = G 2 ⋅ α (4 − 3γ Dt r .מה זה אומר על יציבות הכוכב ? Du ∂p′ M ∂p M = −4π r ′2 ) − G 2 −(1 + 2α )4π r 2 (1 − 3αγ תשובה − (1 − 2α )G 2 : Dt ∂m r′ ∂m r ע"י שימוש במשוואת שווי המשקל ההידרוסטטי ולקיחת רק איברים שתלויים לכל היותר ליניארית ב αנקבל באגף ימין ∂p M M − (1 − 2α )G 2 = (1 + 2α − 3αγ − 1 + 2α )G 2 ∂m r r −(1 + 2α − 3αγ )4π r 2 הכוכב יציב אם תנועה קטנה החוצה ) (α > 0תגרום לתאוצה שלילית )פנימה(. זה קורה כאשר , γ > 4 / 3ולהפך ,אם γ < 4 / 3הכוכב אינו יציב ויכול למשל לקרוס. .2ענן גז נמצא בשיווי משקל הידרוסטטי עם פוטנציאל הגרביטציה העצמית : ∇p0 = −∇Φ 0 1 ρ0 ∆Φ 0 = 4π G ρ 0 , . א .כתבו קרוב ליניארי למשוואות תלויות בזמן עבור הפרעות קטנות בצפיפות , ( ρ1 << ρ 0 ), ρ = ρ0 + ρ1ובמהירות . v1 תשובה :המשוואות לסטיות משיווי המשקל )עם ליניאריזציה( הן : משוואת רציפות : ∂ρ1 + ρ 0 div( v1 ) = 0 ∂t )( 1 משוואת תנועה : c02 ∂v1 1 = − ∇p1 − ∇Φ1 = − ∇ρ1 − ∇Φ1 ∂t ρ0 ρ0 )(2 משוואת פואסון : ∆Φ1 = 4π G ρ1 )(3 ∂ 2 ρ1 ב .הראו שההפרעה בצפיפות מקיימת את המשוואה . 2 − ( c0 2 ∆ρ1 + 4π G ρ 0 ρ1 ) = 0 : ∂t תשובה :גוזרים את ) (1לפי הזמן פעם נוספת ,מפעילים דיברגנס על ) (2ומציבים עם ).(3 ג .קבלו יחס דיספרסיה עבור הפרעה )חד ממדית( מהצורה ]) . ρ1 ( x, t ) = b ⋅ exp[i (kx + ωt תשובה :הצבת האקספוננט במשוואה של הסעיף הקודם נותנת −ω 2 − c0 k 2 + 4π G ρ 0 = 0 או בסידור שונה ω 2 = c02 (k 2 − k J2 ), k J2 = 4π G ρ 0 / c02 ד .מצאו מתי הענן איננו יציב ) קריטריון ג'ינס .( Jeans Instability תשובה :הענן אינו יציב כאשר ל ωיש ענף מדומה ,כלומר כאשר . k < k Jמכיוון ש מספר הגל נמצא ביחס הפוך לאורך הגל האי יציבות תופיע כשאר גודלו של הענן יעבור סף מסוים ,שתלוי בצפיפות ובטמפרטורה.