Rigidez de nascença - Born rigidity

A rigidez nata é um conceito da relatividade especial . É uma resposta à questão do que, na relatividade especial, corresponde ao corpo rígido da mecânica clássica não relativística .

O conceito foi introduzido por Max Born (1909), que deu uma descrição detalhada do caso de aceleração adequada constante que ele chamou de movimento hiperbólico . Quando autores subsequentes, como Paul Ehrenfest (1909) tentaram incorporar movimentos rotacionais também, ficou claro que a rigidez de Born é um sentido muito restritivo de rigidez, levando ao teorema de Herglotz-Noether , de acordo com o qual existem severas restrições à rigidez de Born movimentos rígidos. Foi formulado por Gustav Herglotz (1909, que classificou todas as formas de movimentos rotacionais) e de forma menos geral por Fritz Noether (1909). Como resultado, Born (1910) e outros deram definições alternativas e menos restritivas de rigidez.

Definição

A rigidez nascida é satisfeita se a distância ortogonal do espaço-tempo entre curvas infinitesimalmente separadas ou linhas de mundo for constante, ou de forma equivalente, se o comprimento do corpo rígido em quadros inerciais co-móveis momentâneos medido por hastes de medição padrão (ou seja, o comprimento adequado ) é constante e é portanto, sujeito à contração de Lorentz em quadros relativamente móveis. A rigidez natural é uma restrição ao movimento de um corpo estendido, obtida pela aplicação cuidadosa de forças em diferentes partes do corpo. Um corpo rígido em si mesmo violaria a relatividade especial, pois sua velocidade de som seria infinita.

Uma classificação de todos os movimentos rígidos de Born possíveis pode ser obtida usando o teorema de Herglotz-Noether. Este teorema afirma que todos os movimentos rígidos de Born irrotacionais ( classe A ) consistem em hiperplanos movendo-se rigidamente no espaço-tempo, enquanto qualquer movimento rígido de Born rotacional ( classe B ) deve ser movimentos isométricos de Killing . Isso implica que um corpo rígido nascido tem apenas três graus de liberdade . Assim, um corpo pode ser trazido do repouso de uma forma rígida de Born para qualquer movimento de translação , mas não pode ser trazido de uma forma rígida de Born do repouso para o movimento de rotação.

Tensões e rigidez de nascença

Foi demonstrado por Herglotz (1911) que uma teoria relativística da elasticidade pode ser baseada no pressuposto de que tensões surgem quando a condição de rigidez de Born é quebrada.

Um exemplo de quebra da rigidez de Born é o paradoxo de Ehrenfest : Mesmo que o estado de movimento circular uniforme de um corpo esteja entre os movimentos rígidos de Born permitidos da classe B , um corpo não pode ser trazido de qualquer outro estado de movimento para um movimento circular uniforme sem quebrar a condição de rigidez de Born durante a fase em que o corpo sofre várias acelerações. Mas se essa fase terminar e a aceleração centrípeta se tornar constante, o corpo pode estar girando uniformemente de acordo com a rigidez de Born. Da mesma forma, se agora está em movimento circular uniforme, este estado não pode ser mudado sem quebrar novamente a rigidez nascida do corpo.

Outro exemplo é o paradoxo da nave espacial de Bell : Se os pontos finais de um corpo são acelerados com acelerações adequadas constantes na direção retilínea, então o ponto final líder deve ter uma aceleração adequada mais baixa para deixar o comprimento adequado constante para que a rigidez de Born seja satisfeita. Ele também exibirá uma contração de Lorentz crescente em um referencial inercial externo, ou seja, no referencial externo os pontos finais do corpo não estão acelerando simultaneamente. No entanto, se um perfil de aceleração diferente for escolhido pelo qual os pontos finais do corpo são simultaneamente acelerados com a mesma aceleração adequada como visto na estrutura inercial externa, sua rigidez de Born será quebrada, porque o comprimento constante na estrutura externa implica em aumentar o comprimento adequado em uma moldura móvel devido à relatividade da simultaneidade. Nesse caso, um fio frágil estendido entre dois foguetes sofrerá tensões (chamadas de tensões Herglotz-Dewan-Beran) e, conseqüentemente, se quebrará.

Movimentos rígidos nascidos

Uma classificação de movimentos rígidos de Born permitidos, em particular de rotação, no espaço-tempo plano de Minkowski foi dada por Herglotz, que também foi estudada por Friedrich Kottler (1912, 1914), Georges Lemaître (1924), Adriaan Fokker (1940), George Salzmann & Abraham H. Taub (1954). Herglotz apontou que um continuum está se movendo como um corpo rígido quando as linhas de mundo de seus pontos são curvas equidistantes em . As linhas de mundo resultantes podem ser divididas em duas classes:

Classe A: movimentos irrotacionais

Herglotz definiu esta classe em termos de curvas equidistantes que são as trajetórias ortogonais de uma família de hiperplanos , que também podem ser vistas como soluções de uma equação de Riccati (isso foi chamado de "movimento plano" por Salzmann & Taub ou "movimento rígido irrotacional" por Boyer). Ele concluiu que o movimento de tal corpo é completamente determinado pelo movimento de um de seus pontos.

A métrica geral para esses movimentos irrotacionais foi dada por Herglotz, cujo trabalho foi resumido com notação simplificada por Lemaître (1924). Também a métrica de Fermi na forma dada por Christian Møller (1952) para quadros rígidos com movimento arbitrário da origem foi identificada como a "métrica mais geral para movimento rígido irrotacional na relatividade especial". Em geral, foi mostrado que o movimento irrotacional de Born corresponde àquelas congruências de Fermi das quais qualquer linha de mundo pode ser usada como linha de base (congruência de Fermi homogênea).

Herglotz
1909
Lemaître
1924
Møller
1952

Já Born (1909) apontou que um corpo rígido em movimento translacional possui uma extensão espacial máxima dependendo de sua aceleração, dada pela relação , onde está a própria aceleração e é o raio de uma esfera na qual o corpo está localizado, logo a quanto maior a aceleração adequada, menor será a extensão máxima do corpo rígido. O caso especial de movimento translacional com aceleração adequada constante é conhecido como movimento hiperbólico , com a linha do mundo

Nascido em
1909
Herglotz
1909

Sommerfeld
1910
Kottler
1912, 1914

Classe B: movimentos isométricos rotacionais

Herglotz definiu esta classe em termos de curvas equidistantes que são as trajetórias de um grupo de movimento de um parâmetro (isso foi chamado de "movimento de grupo" por Salzmann & Taub e foi identificado com movimento Killing isométrico por Felix Pirani & Gareth Williams (1962)). Ele ressaltou que eles consistem em linhas de mundo cujas três curvaturas são constantes (conhecidas como curvatura , torção e hipertensão), formando uma hélice . Linhas de mundo de curvaturas constantes no espaço-tempo plano também foram estudadas por Kottler (1912), Petrův (1964), John Lighton Synge (1967, que as chamou de hélices do tempo no espaço-tempo plano), ou Letaw (1981, que as chamou de linhas de mundo estacionárias) como o soluções das fórmulas Frenet – Serret .

Herglotz separou posteriormente a classe B usando quatro grupos de um parâmetro de transformações de Lorentz (loxodrômica, elíptica, hiperbólica, parabólica) em analogia aos movimentos hiperbólicos (isto é, automorfismos isométricos de um espaço hiperbólico) , e apontou que o movimento hiperbólico de Born (que decorre do grupo hiperbólico com na notação de Herglotz e Kottler, na notação de Lemaître, na notação de Synge; veja a tabela a seguir) é o único movimento rígido nascido que pertence às classes A e B.

Grupo loxodrômico (combinação de movimento hiperbólico e rotação uniforme)
Herglotz
1909
Kottler
1912, 1914
Lemaître
1924
Synge
1967
Grupo elíptico (rotação uniforme)
Herglotz
1909
Kottler
1912, 1914
de Sitter
1916
Lemaître
1924
Synge
1967
Grupo hiperbólico (movimento hiperbólico mais translação espacial)
Herglotz
1909
Kottler
1912, 1914
Lemaître
1924
Synge
1967
Grupo parabólico (descrevendo uma parábola semicúbica )
Herglotz
1909
Kottler
1912, 1914
Lemaître
1924
Synge
1967

Relatividade geral

As tentativas de estender o conceito de rigidez de Born à relatividade geral foram feitas por Salzmann & Taub (1954), C. Beresford Rayner (1959), Pirani & Williams (1962), Robert H. Boyer (1964). Foi mostrado que o teorema de Herglotz-Noether não está completamente satisfeito, porque quadros rotativos rígidos ou congruências são possíveis, os quais não representam movimentos isométricos de Killing.

Alternativas

Vários substitutos mais fracos também foram propostos como condições de rigidez, como por Noether (1909) ou o próprio Born (1910).

Uma alternativa moderna foi dada por Epp, Mann & McGrath. Em contraste com a congruência rígida de Born comum que consiste na "história de um conjunto de pontos de preenchimento de volume espacial", eles recuperam os seis graus de liberdade da mecânica clássica usando uma estrutura rígida quase-local, definindo uma congruência em termos da "história do conjunto de pontos na superfície delimitando um volume espacial ".

Referências

  1. ^ Born (1909a)
  2. ^ a b Born (1909b)
  3. ^ Ehrenfest (1909)
  4. ^ a b Herglotz (1909)
  5. ^ a b Noether (1909)
  6. ^ a b Born (1910)
  7. ^ a b c d e Salzmann & Taub (1954)
  8. ^ a b Gron (1981)
  9. ^ Giulini (2008)
  10. ^ Herglotz (1911)
  11. ^ Pauli (1921)
  12. ^ a b Kottler (1912); Kottler (1914a)
  13. ^ Lemaître (1924)
  14. ^ Fokker (1940)
  15. ^ Herglotz (1909), pp. 401, 415
  16. ^ a b Boyer (1965)
  17. ^ Giulini (2008), Teorema 18
  18. ^ Boyer (1965), p. 354
  19. ^ Bel (1995), teorema 2
  20. ^ Herglotz (1909), p. 401
  21. ^ Lemaître (1924), p. 166, 170
  22. ^ (1952), pág. 254
  23. ^ Born (1909), p. 25
  24. ^ Herglotz (1909), p. 408
  25. ^ a b Herglotz (1909), p. 414
  26. ^ Sommerfled (1910), p. 670
  27. ^ Kottler (1912), p. 1714; Kottler (1914a), tabela 1, caso IIIb
  28. ^ Kottler (1914b), p. 488
  29. ^ Herglotz (1909), pp. 402, 409-415
  30. ^ a b c Pirani & Willims (1962)
  31. ^ Herglotz (1909), p. 403
  32. ^ Petrův (1964)
  33. ^ Synge (1967)
  34. ^ Letaw (1981)
  35. ^ Herglotz (1909), p. 411
  36. ^ Kottler (1912), p. 1714; Kottler (1914a), tabela 1, caso I
  37. ^ a b Lemaître (1924), p. 175
  38. ^ Synge (1967), Tipo I
  39. ^ Herglotz (1909), p. 412
  40. ^ Kottler (1912), p. 1714; Kottler (1914a), tabela 1, caso IIb
  41. ^ DeSitter (1916), p. 178
  42. ^ Lemaître (1924), p. 173
  43. ^ Synge (1967), Tipo IIc
  44. ^ Herglotz (1909), p. 413
  45. ^ Kottler (1912), p. 1714; Kottler (1914a), tabela 1, caso IIIa
  46. ^ Lemaître (1924), p. 174
  47. ^ Synge (1967), Tipo IIa
  48. ^ Kottler (1912), p. 1714; Kottler (1914a), tabela 1, caso IV
  49. ^ Synge (1967), Tipo IIb
  50. ^ Rayner (1959)
  51. ^ Epp, Mann & McGrath (2009)

Bibliografia

Em inglês: Pauli, W. (1981) [1921]. Teoria da Relatividade . Teorias Fundamentais da Física . 165 . Publicações de Dover. ISBN   0-486-64152-X .

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