Уравнение Мещерского

Для термина «Мещерский» см. также другие значения.

Уравне́ние Меще́рского — основное уравнение в механике тел переменной массы, полученное И. В. Мещерским в 1897 году^[1] для материальной точки переменной массы (состава).

Уравнение обычно записывается в следующем виде:

${\displaystyle M(t){\frac {d\mathbf {v} }{dt}}=\mathbf {u} _{1}(t){\frac {dm_{1}}{dt}}-\mathbf {u} _{2}(t){\frac {dm_{2}}{dt}}+\mathbf {F} ,}$

где:

• ${\displaystyle M(t)}$ — масса материальной точки, изменяющаяся за счет обмена частицами с окружающей средой, в произвольный момент времени t;
• ${\displaystyle \mathbf {v} }$ — скорость движения материальной точки переменной массы;
• ${\displaystyle \mathbf {F} }$ — результирующая внешних сил, действующих на материальную точку переменной массы со стороны её внешнего окружения (в том числе, если такое имеет место, и со стороны среды, с которой она обменивается частицами, например электромагнитные силы — в случае массообмена с магнитной средой, сопротивление среды движению и т. п.);
• ${\displaystyle \mathbf {u} _{1}(t)=\mathbf {v} _{1}-\mathbf {v} }$ — относительная скорость присоединяющихся частиц;
• ${\displaystyle \mathbf {u} _{2}(t)=\mathbf {v} _{2}-\mathbf {v} }$ — относительная скорость отделяющихся частиц;
• ${\displaystyle {\frac {dm_{1}}{dt}}>0}$ и ${\displaystyle {\frac {dm_{2}}{dt}}>0}$ — скорость увеличения суммарной массы присоединившихся частиц и скорость увеличения суммарной массы отделившихся частиц соответственно.

Формула Циолковского может быть получена как результат решения этого уравнения.

Величина:

${\displaystyle \mathbf {F} _{r}=\mathbf {u} _{1}{\frac {dm_{1}}{dt}}-\mathbf {u} _{2}{\frac {dm_{2}}{dt}}}$

называется «реактивной силой».

Обычно^[2][3][4] уравнение Мещерского получают, основываясь на уравнении для скорости изменения импульса системы материальных точек, имеющем вид:

${\displaystyle {\frac {d{\vec {P}}}{dt}}={\vec {F}},}$

где ${\displaystyle {\vec {P}}}$ — импульс системы, равный сумме импульсов всех материальных точек, составляющих систему, а ${\displaystyle {\vec {F}}}$ — равнодействующая всех внешних сил, действующих на тела системы. Ниже приведён вывод уравнения, использующий именно такой подход.

Вывод уравнения Мещерского

Рассмотрим тело переменной массы ${\displaystyle M=M(t)}$. Пусть за промежуток времени ${\displaystyle dt}$ к телу присоединяется малая масса ${\displaystyle dm_{1}}$, имевшая до присоединения скорость ${\displaystyle {\vec {v}}_{1}}$, и отделяется малая масса ${\displaystyle dm_{2}}$, скорость которой после отделения становится равной ${\displaystyle {\vec {v}}_{2}}$. В качестве интересующей нас системы будем рассматривать все три упомянутые тела.

В соответствии с законом сохранения импульса импульс системы в начале и конце рассматриваемого процесса одинаков:

${\displaystyle M{\vec {v}}+dm_{1}{\vec {v}}_{1}=M{\vec {v}}+d(M{\vec {v}})+dm_{2}{\vec {v}}_{2},\qquad (1)}$

где ${\displaystyle d(M{\vec {v}})}$ — изменение импульса основного тела, обусловленное как изменением его скорости, так и изменением его массы.

Учитывая, что ${\displaystyle d(M{\vec {v}})=dM{\vec {v}}+Md{\vec {v}}}$, из (1) получаем:

${\displaystyle dm_{1}{\vec {v}}_{1}=dM{\vec {v}}+Md{\vec {v}}+dm_{2}{\vec {v}}_{2}.\qquad (2)}$

Изменение массы основного тела ${\displaystyle dM}$ связано с ${\displaystyle dm_{1}}$ и ${\displaystyle dm_{2}}$ соотношением ${\displaystyle dM=dm_{1}-dm_{2}}$, поэтому из (2) следует:

${\displaystyle dm_{1}({\vec {v}}_{1}-{\vec {v}})=Md{\vec {v}}+dm_{2}({\vec {v}}_{2}-{\vec {v}}).\qquad (3)}$

После перехода от дифференциалов к производным и перегруппировки слагаемых (3) приобретает вид:

${\displaystyle M{\frac {d{\vec {v}}}{dt}}={\frac {dm_{1}}{dt}}({\vec {v}}_{1}-{\vec {v}})-{\frac {dm_{2}}{dt}}({\vec {v}}_{2}-{\vec {v}}).\qquad (4)}$

Введя относительные скорости частиц ${\displaystyle {\vec {u}}_{1}}$ и ${\displaystyle {\vec {u}}_{2}}$, равные соответственно ${\displaystyle ({\vec {v}}_{1}-{\vec {v}})}$ и ${\displaystyle ({\vec {v}}_{2}-{\vec {v}})}$, и добавив равнодействующую внешних сил ${\displaystyle {\vec {F}}}$, получим уравнение Мещерского в окончательном виде.

Релятивистское уравнение Мещерского

Первыми работами^[5], посвященными исследованию движения ракет с учетом релятивистских эффектов, были работы Аккерета^[6] и Зенгера^[7].

При выводе уравнения Мещерского, пригодного для случая скоростей, сравнимых со скоростью света, используется выражение для релятивистского импульса ${\displaystyle {\vec {p}}={\frac {m{\vec {v}}}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}$. В результате уравнение приобретает вид:

${\displaystyle {\frac {d}{dt}}\left({\frac {M{\vec {v}}}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\right)={\vec {v}}_{1}\cdot {\frac {d}{dt}}\left({\frac {m_{1}}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\right)-{\vec {v}}_{2}\cdot {\frac {d}{dt}}\left({\frac {m_{2}}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}\right).}$

В этом уравнении в общем случае не вводятся относительные скорости ${\displaystyle ({\vec {v}}_{1}-{\vec {v}})}$ и ${\displaystyle ({\vec {v}}_{2}-{\vec {v}})}$, так как в релятивистском случае сложение скоростей производится иначе.

Для случая только частиц, отделяющихся со скоростью коллинеарной скорости ракеты, это уравнение сводится к следующему виду:

${\displaystyle M{\frac {dv}{dt}}=-\left(1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\right)u{\frac {dM}{dt}},}$

где ${\displaystyle u={\frac {v_{2}-v}{1-v_{2}\cdot v/c^{2}}}}$ — скорость частиц относительно ракеты.

История открытия

Уравнение движения материальной точки переменной массы для случая присоединения (или отделения) частиц было получено и основательно исследовано в магистерской диссертации И. В. Мещерского, защищенной в Петербургском Университете 10 декабря 1897 года^[8]. Первое сообщение об уравнении движения материальной точки переменной массы в общем случае одновременного присоединения и отделения частиц было сделано И. В. Мещерским 24 августа 1898 года на заседании секции математики и астрономии X съезда русских естествоиспытателей и врачей в Киеве, широкую известность оно получило позднее, после работы «Уравнения движения точки переменной массы в общем случае», напечатанной в «Известиях Петербургского политехнического института» в 1904 году^[9].

По исследованиям Г. К. Михайлова, изложенным в его докторской диссертации^[10] и работе «Георг Бюкуа и начала динамики систем с переменными массами»^[11], аналогичное уравнение было установлено чешским учёным-любителем Георгом Бюкуа (1781—1851) ещё в работах 1812—1814 гг.

Примечания

1. Космодемьянский А. А. «Научная деятельность Ивана Всеволодовича Мещерского» стр.9-25 в книге И. В. Мещерский. Работы по механике тел переменной массы. Изд. 1-е. — М.: ГИТТЛ, 1949. стр.13.
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2005. — Т. I. Механика. — С. 119-120. — 560 с. — ISBN 5-9221-0225-7.
3. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. — М.: Высшая школа, 1986. — С. 287-288. — 416 с.
4. Иродов И. Е. Основные законы механики. — М.: Высшая школа, 1985. — С. 41. — 248 с.
5. Седов Л. И., Цыпкин А. Г. Основы макроскопических теорий гравитации и электромагнетизма. — М.: Наука, 1989. Стр.153.
6. Aekeret I. Zur Theorie der Raketen // Helv-Physica. Acta.—1946. — T. 19, N 2-P. 103—112.
7. Sanger E. Zur Mechanik der Photonen-Strahlantriebe. — Munchen, 1956 (русск. пер.: М.: ИЛ, 1958).
8. Мещерский И. В. Работы по механике тел переменной массы. — М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952. — С. 37.
9. Мещерский И. В. Работы по механике тел переменной массы. — М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952. — С. 222.
10. Развитие основ динамики системы переменного состава и теории реактивного движения. — М.: 1977
11. «Исследования по истории физики и механики». Москва: Наука, 1986, с. 191—238

Литература

• Мещерский И. В. «Динамика точки переменной массы» // В кн. И. В. Мещерский. Работы по механике тел переменной массы. Изд. 2-е. — М.: ГИТТЛ, 1952. — 280 с. стр.37-188.
• Мещерский И. В., «Уравнения движения точки переменной массы в общем случае» // В кн. И. В. Мещерский. Работы по механике тел переменной массы. Изд. 2-е. — М.: ГИТТЛ, 1952. — 280 с. стр.222-264.
• Михайлов Г. К. «К истории динамики систем переменного состава» Известия АН СССР: Механика твердого тела, 1975, № 5, с. 41-51.
• Михайлов Г. К. К истории динамики систем переменного состава и теории реактивного движения. М.: Ин-т проблем механики АН СССР, 1974.
• Карагодин В. М. Теоретические основы механики тела переменного состава. М.: Оборонгиз, 1963. 178с.
• Механика тел переменной массы — статья из Физической энциклопедии
• Кильчевский Н. А. Курс теоретической механики. Том 1. М.: Наука, 1977. Глава IV «Динамика точки переменной массы» Параграф 221. — Вывод уравнения Мещерского (стр.433-435).
• Айзерман М. А. Классическая механика. 2-е изд. М.: Наука, 1980. — 368с. Глава 3. Параграф 9. Применение основных теорем механики к движению системы переменного состава. стр.107-120.
• Веретенников В. Г., Синицын В. А. Теоретическая механика (дополнения к общим разделам). — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 416 с. — ISBN 5-9221-0703-8 (Параграфы 2.5. Кинематика системы переменного состава. стр.71-77; 3.4. Основные динамические величины системы переменного состава. стр.91-94; 6.2. Задача о движении центра масс при взаимодействии тела с внешней сплошной средой. стр.170-172; 6.3. Теорема об изменении количества движения системы переменного состава. стр.172-180; 6.6. Применение теоремы об изменении кинетической энергии к системе переменного состава. стр.200-207; 7.2. Общее уравнение аналитической динамики для системы точек переменной массы. стр.215-227.)
• Седов Л. И. К релятивистской теории полета ракеты // Прикладная математика и механика — 1986. — Т. 50, вып. 6.
• Седов Л. И., Цыпкин А. Г. Основы макроскопических теорий гравитации и электромагнетизма. — М.: Наука, 1989. — 272 с. — ISBN 5-02-013805-3. Глава III. параграф 4. Релятивистская теория полета ракеты.

Ссылки

• Бородовский В. Н. Отечественные ракеты. История и будущее