Bestimmung der Massendichteverteilung eines Objekts

Dies ist eine Folgefrage zu einer früheren Frage Wie können Sie Ihren eigenen Kopf genau wiegen? .

Mein Ziel ist es nicht, die Flut von mehr oder weniger humorvollen Witzen wieder aufzunehmen (die nicht so schlimm sind, wenn sie selten vorkommen), sondern zu versuchen, einige Schlussfolgerungen zu ziehen, da ich das Ereignis aufschlussreich fand, und hoffentlich eine echte Antwort zu bekommen.

Abgesehen von den Witzen war die Frage meiner Meinung nach auch aus sozialer Sicht interessant: Wie funktionieren Irrtümer, wie wird abgestimmt, was bewirkt die schnelle Antwortveranlassung durch Site-Regeln.

Mir ist jetzt zumindest klar, dass das eigentliche physikalische Problem darin bestand, die Massendichteverteilung eines (teilweise?) Festkörpers ohne destruktive Mittel zu bestimmen. Natürlich kann das Konzept der Destruktivität von der betroffenen Stelle abhängen, und das war eine Quelle der Witze.

Dennoch ist es ein relevantes Thema, die Mittel zu überprüfen, falls vorhanden, um einen solchen Zweck zu erreichen, da es anscheinend nicht so viele gibt. Das ist eigentlich die Frage, die ich stelle.

Gleichzeitig möchte ich aber auch einige der Antworten auf die vorangegangene Frage noch einmal Revue passieren lassen.

Eine, die meine Aufmerksamkeit erregte, war die Mikrosatellitenlösung. Funktioniert es wirklich? Wir könnten also genau fragen: Können wir bei genauer Kenntnis des Schwerefelds, das von einem festen Objekt erzeugt wird, daraus die Massendichteverteilung im Festkörper ableiten? Die Antwort scheint nein zu sein. Nehmen Sie den trivialen Fall einer Kugel mit gleichmäßiger radialer Dichteverteilung. Die Gravitation außerhalb der Kugel hängt nur von der Gesamtmasse ab, sagt also nichts über die Dichteverteilung im Inneren aus. Ist das ein entarteter Ausnahmefall, oder ist es ein starker Hinweis darauf, dass die Analyse des Gravitationsfeldes nicht ausreicht?

Die von mir vorgeschlagene Slicing-Lösung war ein interessanter Fehler, sicherlich ein dummer. Aber es ist sehr verlockend zu glauben, dass die Lösung nahe ist, wenn Sie eine Reihe von Gleichungen haben, und noch dazu einfache. Eine süße Falle. Es wird offensichtlicher, wenn Sie versuchen, es in kontinuierlicher statt in diskreter Form zu tun.

Es hätte offensichtlich sein müssen, da wir wissen, dass das Drehmoment, das durch das Wiegen eines massiven Objekts erzeugt wird, nur von der Gesamtmasse und dem Abstand des Massenmittelpunkts zur Achse abhängt.

Was zumindest für mich weniger offensichtlich war (aber ich habe seit dem College nicht viel Physik gemacht), war die Verwendung des Trägheitsmoments. Man könnte auch daran denken, Trägheitsmomente nach dem virtuellen Aufschneiden des Objekts wie bisher mit Drehmoment zu messen. Leider hängt das Trägheitsmoment nur von 3 Werten ab, den beiden vorherigen und einem Referenz-Trägheitsmoment (für eine bestimmte Richtung der Rotationsachse). Es ist eine nützliche Bemerkung für die Berechnung von Trägheitsmomenten, zeigt aber, dass es keine Hoffnung gibt, unser Problem zu lösen.
Dies wurde von @Ben Crowell in einer anderen Frage bemerkt (siehe unten).

Allgemeiner gesagt scheint es keine Hoffnung auf eine diskretisierte Messung einer Größe zu geben, die polynomial von der Entfernung abhängt. Mehr Unbekannte als den Grad des Polynoms kann man nicht bekommen.

Ich werde die Compton-Streuung und andere Verwendungen indirekter physikalischer Phänomene nicht kommentieren, wenn auch nur aus Mangel an Kompetenz. Hinzu kommt, dass ich gerne eine rein mechanische Lösung wüsste.

Eine Technik, von der ich gehört habe, ist die Messung der Wellenausbreitung über das Objekt. Ich habe das in einem Kommentar zur Compton-Streulösung angedeutet. Ich habe keine Expertise dazu, aber ich denke, so wird die Struktur des Planeten von Geophysikern analysiert (Erdbebenwellen). Ich habe auch von unterirdischen Analysen mit ähnlichen Mitteln gehört, mit Sprengstoff. Aber ich bin mir nicht sicher, welche Art von Informationen auf diese Weise erhalten werden können. Bekommt man eine Dichteverteilung. Funktioniert es immer?

Die andere Technik, an die ich dachte, ist die auf Ultraschall basierende medizinische Bildgebung. Könnte es Dichten messen.

Da wir nun Wellen betrachten, könnten wir etwas aus der Messung der Ausbreitung von Schwerewellen herausholen, vorausgesetzt, es ist möglich, die notwendigen Messungen durchzuführen. Aber ich habe keine Ahnung, was das eigentlich beinhaltet oder bedeutet.

Interessanterweise wurde eine einfachere Version des Problems bereits vor zwei Monaten in gewisser Weise in Wie kann ich feststellen, ob die Masse eines Objekts gleichmäßig verteilt ist? Einige Ideen wurden für die letzte Frage wiederholt, aber es entstanden auch neue Ideen (Schwerefeldanalyse), auch wenn sie Schwächen haben und in den meisten Situationen etwas schwierig zu verwenden sind.

Dann, welche Techniken verwendet wurden, um die Dichteverteilung der Erde, der Sonne oder möglicherweise anderer Körper zu kennen. Gibt es etwas Systematisches, das wir übersehen haben?

Gibt es also Möglichkeiten, das Problem rein mit Mechanik und Schwerkraft zu lösen?

Eine verwandte Frage ist, ob es einfacher oder genauso schwierig ist, zu bestimmen, ob die Massendichteverteilung gleichmäßig ist.

Ganz allgemein frage ich mich, ob es eine Möglichkeit gibt, die Eigenschaften von Phänomenen zu charakterisieren, die dabei helfen können, die Dichteverteilung innerhalb eines festen Objekts zu bestimmen.

Alternativ könnte man beweisen, dass es mit rein mechanischen Mitteln nicht erreichbar ist.

Ich denke, der Hauptteil dieser Frage ist zu lang.
@metacompactness Ich weiß. Ich war darüber besorgt. Aber ich sah nicht, wo und wie ich sonst zusammenfassen konnte, was getan worden war, da es nicht nur ein Scherz war. Ich dachte, eine Zusammenfassung wäre nötig, wenn wir die Informationen nicht verschwenden wollten. Und ich bin wirklich neugierig auf dieses Problem, auch wenn ich nicht derjenige bin, der es lösen wird. Ich glaube auch nicht, dass der Zusammenhang mit der vorherigen Frage zu diesem Thema hergestellt wurde.
@babou Hast du noch nie von GRAIL gehört? nasa.gov/mission_pages/grail/overview/index.html#.UeSH4Y0zP_k nasa.gov/mission_pages/grail/main/index.html Es gibt eine Möglichkeit, die Dichteverteilung, oder zumindest den Großteil davon, mithilfe von externen Messungen zu bestimmen Schwerefeld. Kurz gesagt, das Mikrosatelliten-Ding könnte funktionieren!
Ich war mir des Projekts bewusst, jedoch nicht des Namens oder der Einzelheiten. Danke. Ich habe eine Frage zur Rolle von Annahmen geschrieben , ohne Erfolg. Ich habe den Eindruck, dass auch für dieses Problem ungerechtfertigte Annahmen getroffen werden. Das Gravitationsfeld enthält viele Informationen, aber nicht alle. Die Analyse des Trägheitsmoments liefert einige Informationen, die im Schwerefeld fehlen, zum Beispiel, dass die Dichte einer Kugel nicht radial homogen ist. Kann die Bewegung eines Objekts in ungleichförmiger Gravitation Informationen liefern, die in seinem Gravitationsfeld nicht zu finden sind?
Es ist eine wirklich gute Frage. Ich habe auch danach gesucht, aber in einem anderen Bereich. Das Thema, an dem ich gerade arbeite, ist Begrenzte Ressourcenzuweisung und in dem Algorithmus, den ich entwickle, muss ich die Massendichteverteilung von Elektrofahrzeugen kennen, damit ich ihnen dann begrenzte Ressourcen zuweisen kann. Würde es Ihnen etwas ausmachen, wenn Sie die Antwort darauf bekommen haben, teilen Sie Ihren Weg mit? Vielen Dank, ich dachte an die Berechnung der integrierten Reichweite.
Schön, dass dir die Frage gefallen hat. Was Ihr Problem betrifft, würde ich vorschlagen, dass Sie es in eine unabhängige Frage umwandeln, die Ihnen auch Raum gibt, es ausführlicher zu erläutern. Außerdem ist die Verwendung von Kommentaren, um weitere Fragen zu stellen, in SE normalerweise verpönt.

Antworten (2)

Sie interessieren sich für das Dichtefeld eines Objekts, das eine skalare Funktion (nur eine Zahl) über einen dreidimensionalen Raumbereich (Form des untersuchten Objekts) ist.

Ihr Wunsch ist es, diese Funktion mit nur 2 Interaktionsformen zu untersuchen - Mechanik und Schwerkraft in einfachster Form, ohne das Objekt zu zerstören.

Ich stimme zu, dass wir versuchen müssen, diese Frage zunächst von einem sehr allgemeinen Standpunkt aus zu verstehen.

Mechanik und Schwerkraft weisen Überlagerungseigenschaften auf - was bedeutet, dass Eigenschaften von Objekten, die über den Raum verteilt sind, durch punktförmige Eigenschaften ersetzt werden (ein Beispiel, das Sie bereits gegeben haben - das Gravitationsfeld einer Kugel hängt nicht von ihrer radialen Dichteverteilung ab - also einer Funktion der Dichteverteilung wird durch nur eine Zahl der Gesamtmasse ersetzt).

Daher gibt die Verwendung nur der Schwerkraft (ohne das Innere mit Wellen zu scannen - was für Gravitationswellen derzeit unmöglich ist) eine negative Antwort - nicht möglich.

Gleiches gilt für die Mechanik, da die Mechanik auch dreidimensionale Verteilungen auf punktförmige reduziert.

Aber! Der lustige Teil ist, dass Mechanik und Gravitation deshalb so erfolgreiche Theorien sind, weil sie es uns ermöglichen, von inneren Eigenschaften von Objekten zu abstrahieren und Dynamik auf nur globale Eigenschaften zu reduzieren.

Logischerweise ist es auch klar, dass Sie, um die dreidimensionale Verteilung zu kennen, einen Algorithmus anbieten müssen, der Ihnen diese Menge an Informationen liefert, und diese Informationen können nur durch physikalische Interaktion mit jedem Punkt innerhalb des Objekts oder durch Beobachtung der von jedem Punkt emittierten Wellen erhalten werden Punkt.

Schließlich hast du deinem Ziel - der radial nicht gleichförmigen Kugel - bereits ein Gegenbeispiel gegeben. Es gibt keine Möglichkeit, diese Verteilung nur mit Mechanik und Schwerkraft herauszufinden, ohne sie zu zerstören oder Wellen zu verwenden.

Ich beherrsche diese Themen nicht genug, um irgendeine Meinung anzufechten. Ich habe jedoch den Eindruck, dass die Kenntnis des Schwerefelds mehr Einschränkungen mit sich bringt als die klassische Mechanik. Das Schwerefeld eines Würfels ist nicht wie das Feld einer Kugel. Die Frage ist dann, wie viel fehlt. Kann das Feld einer Kugel von einem Objekt ohne Kugelsymmetrien erzeugt werden? Könnte es auch möglich sein, mehr Informationen zu erhalten, indem man die Bewegung in einem bekannten nicht gleichförmigen Gravitationsfeld analysiert. Kann man dann noch die Mechanik eines Objekts auf wenige Parameter reduzieren?
Das Feld eines beliebigen Objekts erzeugt immer ein Feld einer Kugel (genauer gesagt eine Punktquelle, aber Kugel, Schale usw. sind anwendbar) und diese Kugel ist konzentrisch zum Massenmittelpunkt des Objekts.

Wenn ich ein schweres Bleiobjekt beliebiger Form nehme und es so in eine Pappkugel montiere, dass der Schwerpunkt des Objekts mit dem Mittelpunkt der Kugel zusammenfällt, würden Sie niemals die Form oder die Massendichte des Bleiobjekts als etwas anderes bestimmen als die einer Punktquelle unter Verwendung der Newtonschen Mechanik oder Außenfeldmessungen.

Unter Bezugnahme auf Ihren Kommentar, dass sich das Gravitationsfeld eines Würfels von dem einer Kugel unterscheidet, kann dies zutreffen, wenn Sie Messungen der G-Feldstärke an Punkten auf der Oberfläche dieser Objekte vergleichen, an denen die Abstände zum Massenmittelpunkt je nach willkürlich unterschiedlich sind Form oder Ort gemessen. Wenn wir jedoch Werte an Punkten mit gleichem Abstand zu ihrem jeweiligen Massenmittelpunkt vergleichen, ist ein Würfel nicht von einer Kugel zu unterscheiden (der Massenmittelpunkt kann je nach Gleichmäßigkeit im geometrischen Zentrum liegen oder nicht).

Aufgrund der obigen Beispiele, die das Überlagerungsprinzip erlaubt, können wir durch Abbilden der g-Feldstärke an beliebig vielen Punkten um ein Objekt im 3D-Raum einen eindeutigen Punkt in einem nicht abgebildeten Bereich finden, um den herum in allen Richtungen gleiche Abstände gleiche Feldstärkewerte ergeben --im Wesentlichen der Punkt, der die Position des COM des Objekts angibt. Dies ist der einzige Punkt im nicht zugeordneten Bereich, an dem wir den Wert kennen (er ist Null). Inzwischen ist jeder andere Punkt im nicht kartierten Bereich unbekannt, aber nur, weil uns durch Ihre Frage einfach verboten wird, invasive Verfahren anzuwenden.

Die Grenze des abbildbaren Raums ist einfach die Oberfläche des Objekts. Wenn eine einfache Untersuchung zeigt, dass die Form ein regelmäßiges Polygon ist, können wir Vergleiche zwischen Werten an dieser Grenze und Werten anstellen, die wir auf der Oberfläche des gleichen Polygontyps mit gleicher durchschnittlicher Dichte wie das Objekt erwarten würden. Jegliche Abweichungen würden eine Abweichung in der Massenverteilung innerhalb des Objekts unter der Oberfläche darstellen. Dieses Phänomen wird Schwerkraftanomalie genannt und wurde verwendet, um interessante Dinge hier auf der Erde zu finden. Beachten Sie, dass eine höher als erwartete Schwerkraft an einem Punkt auf der Oberfläche eines kugelförmigen Objekts nicht auf dichteres Material direkt unter dieser Oberfläche hindeutet – es könnte auch auf einen Hohlraum auf der gegenüberliegenden Seite der Kugel zurückzuführen sein.

Aus diesem Grund ist es bei der Analyse von Anomalien wichtig, einen großen Bereich der Oberfläche zu kartieren, der nach Berücksichtigung des Massenschwerpunkts eines idealen einheitlichen Objekts den Massenschwerpunkt eines Objekts offenbaren kann, das allein die Anomalie erklären würde. Auch hier zeigt die Verwendung externer Messungen nur COMs, was sehr irreführend sein kann, da eine beliebige Anzahl von Objekten COMs haben kann, die nicht annähernd ihr tatsächliches Volumen haben (Hufeisen, Muscheln usw.).

"Aber wenn wir Werte an Punkten gleichen Abstands zu ihrem jeweiligen Schwerpunkt vergleichen, dann ist ein Würfel nicht von einer Kugel zu unterscheiden" Das ist nicht ganz richtig. Es trifft streng auf Objekte zu, die eine Kugelsymmetrie haben, aber die nicht-kugelförmige Form des Würfels führt zu kleinen Variationen sowohl in der Stärke als auch in der Richtung des Feldes bei Entfernungen, die nicht viel größer sind als die Größe des Objekts.
Um einen Grenzfall zu wählen, hämmern Sie die Kugel in eine dünne, flache Scheibe, die ein Vielfaches des Kugelradius ist, und finden Sie dann das Feld über dem Zentrum am Radius der Kugel. es ist sowohl niedriger als die Schwerkraft der Kugel in der gleichen Entfernung als auch nahezu gleichförmig. Der Unterschied aufgrund eines Würfels ist viel kleiner, aber immer noch nominell vorhanden.
Was Sie getan haben, ist, dass eine Dimension des Objekts die Dimension des ursprünglichen Messbereichs überschreitet, sodass dies einen Verstoß gegen die Regel „Nur externe Messungen“ darstellt (einige der von Ihnen gemessenen Werte befinden sich tatsächlich IN der Disc und dürfen nicht gemessen werden ). die Messgrenze wird zum Umfang des gehämmerten Objekts (jetzt eine Scheibe). g-Feldstärke an allen Punkten vom COM der Scheibe mit einem Abstand gleich dem Radius der Scheibe sind gleich.
Ich habe einen Grenzfall gewählt, um den Unterschied eher auffällig als subtil zu machen, aber es gibt immer noch einen Unterschied. Sie können die Einzelheiten der Verteilung nur in zwei Fällen vernachlässigen (a) die Verteilung ist kugelsymmetrisch oder (b) Sie befinden sich in den Fernfeldregimen (nicht nur "außerhalb" des Objekts, sondern oft so weit entfernt wie die größte Dimension). .
(a) ist trivialerweise wahr, aber ich muss nach (b) fragen. Was ist Ihre Begründung für die Unterscheidung zwischen Fernfeld und knapp außerhalb des Objekts? Gezeitenkräfte?
Die höheren Multipole einer nicht kugelsymmetrischen Massenverteilung sind nicht Null. Sie können sie im Fernfeldbereich vernachlässigen, da ihre Wirkung durch höhere Potenzen der Entfernung abnimmt, aber wenn Sie nur ein oder zwei <Körpergröße> entfernt sind, wird Ihnen dort nicht viel geholfen. Jackson hat eine ausführliche Diskussion im Kontext der Elektrostatik, aber sie gilt genauso gut für die klassische Schwerkraft.
Oh, Sie haben Recht ... Ich habe das Shell-Theorem verwendet, das nur für gleichmäßige Verteilungen wie Punktmassen und Kugeln gilt. Danke..
@dmckee Der bemerkenswerte Aspekt dieser Frage ist, dass sie eine Antwort in einer (ich habe es getan) oder zwei (ich denke oder vermute) Dimensionen hat: lineare Dichte eines Stabs oder Oberflächendichte einer flachen Form. Es gibt einen physikalisch und mathematisch praktikablen Ansatz, der es (sehr) theoretisch ermöglichen kann, die lineare Dichte mit beliebiger Genauigkeit zu messen, obwohl die von mir gefundene Lösung mathematisch nicht zu gut konditioniert ist und Probleme mit der genauen Berechnung einer Fourier-Transformation verursacht, die in der Lösung erscheint (ich bin nicht wirklich sehr Experte auf diesem Gebiet) und nutzte die Hilfe eines Mathematikers.
@dmckee Das Kugelbeispiel zeigt jedoch, dass es in drei Dimensionen ein grundlegendes Hindernis gibt. und ich frage mich, ob dies auf einige tiefere Fakten über Dimensionen hinweist. Aber erwarte keine Antwort von mir.