Wird ein sich drehendes Objekt zur Ruhe kommen?

Wird eine Kugel, die sich um ihre eigene Achse dreht, mit genügend Zeit zur Ruhe kommen, sofern keine anderen Kräfte auf sie einwirken?

Ich weiß, dass, wenn Sie zwei sich drehende Kugeln in den Tiefen des Weltraums haben und sich gegenseitig umkreisen, sie irgendwann aufhören werden, sich zu drehen – sie werden sich gegenseitig blockieren. Die innere Reibung der sich verschiebenden Gezeitenwölbung überwindet schließlich die Rotation.

Aber ich sehe nicht, welche Kräfte eine Kugel daran hindern würden, sich ohne andere Kräfte um ihre eigene Achse zu drehen. Und doch erfährt jeder Punkt auf der Kugel (außer Punkten entlang der Achse) eine beschleunigte Bewegung, was eine Kraft impliziert.

Meine Intuition sagt, dass irgendetwas die Beschleunigung jedes Punktes aufrechterhalten muss, was impliziert, dass die Beschleunigung inneren Stress verursacht. Ich weiß, dass dies makroskopisch zutrifft (die Kugel wird eine äquatoriale Wölbung haben), aber welche Kräfte halten die Beschleunigung jedes Teilchens aufrecht, und werden die Spannungen jemals die Rotation der Kugel überwinden?

Klarstellung : Ich betrachte keine unendlich starren Kugeln oder Punktteilchen. Ich frage mich über tatsächliche nicht starre makroskopische Kugeln wie Planeten.

Wenn zwei umlaufende Körper durch die Gezeiten miteinander verbunden werden, haben sie nicht aufgehört, sich zu drehen. Sie haben sich einfach ihrem Drehimpuls angeschlossen. Die Zeit zum Abschließen einer Umdrehung ist die gleiche wie die Zeit zum Abschließen einer Umlaufbahn.
Deine einzige sich drehende Sphäre ohne äußere Kräfte sieht nur statische Kräfte im Inneren. Es kann keine Energie zerstreuen, und natürlich gibt es keinen anderen Ort für den Drehimpuls, also sagen zwei verschiedene Erhaltungsgesetze, dass es sich unendlich drehen wird. Beachten Sie, dass im gezeitengesperrten Fall Energie dissipiert wird, aber der Gesamtdrehimpuls der beiden Körper zusammen noch erhalten bleibt.

Antworten (2)

Ein isolierter Körper, der keinen Drehimpuls mit dem äußeren Universum austauscht, wird niemals aufhören sich zu drehen (durch Drehimpulserhaltung). Es gibt keine Möglichkeit, den Drehimpuls innerhalb des Körpers in inneren Freiheitsgraden aufzunehmen; der Drehimpuls muss abtransportiert werden, wenn man anhalten will.

Zum Beispiel: Wenn etwas nicht starr ist, könnten Sie eine sogenannte "differentielle Rotation" haben, bei der sich vielleicht die Kruste des Planeten (sagen wir) in eine Richtung dreht, der Kern sich jedoch in die entgegengesetzte Richtung dreht. Ignorieren Sie das Problem, wie dies geschehen soll, stellen Sie sich einfach vor, dass dies der Fall ist. Der Kern hat einen Drehimpuls, während die Kruste einen anderen hat. Aber wir addieren sie einfach, und sie müssen zunächst zum Gesamtdrehimpuls des Planeten beitragen; es wird nicht ganz aufhören können. Sie können den Drehimpuls neu verteilen , aber Sie können den Gesamtdrehimpuls nicht innerhalb eines isolierten Objekts zerstreuen , und Sie können den Gesamtdrehimpuls nicht auf Null gehen lassen, ohne ihn auf das äußere Universum zu übertragen.

Gezeitenverriegelung ist nur eine weitere Möglichkeit, den Drehimpuls umzuverteilen. Die Gezeitenverriegelung geschieht, weil der Drehimpuls (um das bekannteste Beispiel zu nehmen) der Erddrehung zum Drehimpuls der Mondumlaufbahn transportiert wird . Das passiert so, dass dieser kleine Materiehaufen, der auf der Erde aufsteigt, nicht ganz auf den Mond zeigt, weil die Drehung der Erde ihn ein wenig trägt. Und diese kleine Ausbuchtung übt eine Anziehungskraft auf den Mond aus, wodurch er schneller wird (Drehimpuls gewinnt). Newtons drittes Gesetz sagt uns, dass eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf die Erde ausgeübt wird, was dazu führt, dass sich ihre Rotation verlangsamt (Drehimpuls verliert).

Um zu betonen, dass der Drehimpuls von einem Spin auf eine Umlaufbahn übertragen wird. Und dies geschieht, weil der Mond tatsächlich umkreist und somit eine Flut verursacht. Um Ihre Frage in den Kommentaren von Olofs Antwort zu beantworten, stoppt die Gezeitensperre die Rotation eines Objekts im Allgemeinen nicht vollständig, da das andere Objekt es immer umkreist. Die Gezeitensperre könnte im Prinzip die Erde letztendlich nur mit genau der richtigen Geschwindigkeit drehen, sodass sie sich so oft dreht, wie der Mond umkreist. (Obwohl ich denke, dass die Zahlen nicht funktionieren.) Tatsächlich ist das mit dem Mond passiert, weshalb wir immer nur ein Gesicht sehen.

Drehimpulserhaltung bedeutet, dass sich die Kugel ewig weiterdreht. Um den Drehimpuls zu ändern, müssen Sie ein externes Drehmoment aufbringen.

Beachten Sie, dass dadurch die Kugel als starrer Körper behandelt wird. Betrachtet man nur einen kleinen Teil der Kugel, so wirken auf ihn Kräfte, so dass die Kugel unverformt bleibt. Auf mikroskopischer Ebene würden diese Kräfte zum Beispiel von Bindungen zwischen den Atomen im kleinen Teil und den Atomen im Rest der Kugel herrühren. Diese Kräfte beschleunigen dieses Teil, sodass es mit der Drehung Schritt hält. Ohne äußere Kräfte auf die Kugel ändert sich jedoch weder der Impuls des Massenschwerpunkts der Kugel noch der Drehimpuls.

Wenn die Kugel nicht vollständig starr ist, können Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Teilen des Systems den Drehimpuls intern in der Kugel umverteilen. Der Gesamtdrehimpuls des Systems bleibt aber erhalten.

Ich glaube nicht, dass das der Fall ist. Wenn es so wäre, wie schließt die Erde dann den Mond durch Gezeiten? Kann nicht der Gesamtdrehimpuls des Systems in den Teilchen der Kugel erhalten bleiben, während die Kugel selbst aufhört sich zu drehen? Sie haben absolut Recht mit Punktteilchenkugeln (obwohl nicht klar ist, was es bedeutet, dass sich ein Punktteilchen dreht), aber ich frage mich über die inneren Spannungen makroskopischer Kugeln und ob es eine Kraft gibt, die der Rotation widersteht.
@So8res: Wenn die Kugel nicht als starrer Körper betrachtet wird (was Sie wohl mit "Punkt-Teilchen-Kugel" meinen), kann die Kugel aufhören, sich zu drehen, da interne Freiheitsgrade in der Kugel den Drehimpuls aufnehmen können.
Das dachte ich mir – also kann die Kugel aufhören sich zu drehen, aber tut es das?
-1. Das ist nicht richtig. Sie können Drehimpuls nicht in innere Freiheitsgrade aufnehmen.
@Mike: Vielleicht war "interne Freiheitsgrade" eine schlechte Wortwahl, aber der Drehimpuls kann sicherlich zwischen verschiedenen Teilen des Systems umverteilt werden.
Nun, ich denke immer noch, dass "die Kugel hört auf sich zu drehen" eine Übertreibung ist, da es immer einen Gesamtdrehimpuls ungleich Null geben wird, und in einem isolierten Körper wird dies als Spin bezeichnet. Vielleicht, wenn Sie umformulieren ...
@ Mike: Ich stimme zu, dass "die Kugel hört auf, sich zu drehen" sehr schlecht formuliert war. Das System als Loch wird immer den gleichen Drehimpuls haben. Ich habe meine Antwort bearbeitet. Wie auch immer, die Frage wurde geändert, um anzuzeigen, dass es sich nicht um eine starre Sphäre handelt, was ursprünglich angenommen wurde, sodass meine Antwort nicht mehr relevant ist.
Das ist viel besser.