4.1.20∗. Найдите давление на расстоянии $r$ от центра жидкой планеты радиуса $R$, если жидкость имеет плотность $ρ$. Чему равно давление в центре планеты? Гравитационная постоянная $γ$.
Решение
В сферически симметричном случае приращение гидростатического давления при изменении радиуса на $dr$ будет:
$$dP_{r}=\rho g(r)dr$$
где $g(r)$ - ускорение свободного падения на расстоянии $r$ от центра.
По теореме Гаусса, гравитационное ускорение внутри сферы радиуса $r$ определяется массой, заключенной в сфере радиуса $r$:
Силу гидростатического давления можно найти из равновесия столба жидкости: сила гравитационного притяжения, приложенная к центру столба, будет уравновешена силой гидростатического давления:
К задаче $4.1.20$
$$F_r = mg(r)$$ Для того, чтобы определить напряжёность гравитационного поля внутри шара, воспользуемся теоремой Гаусса: $$g(r) \cdot 4\pi l^2 = \frac{4\pi \gamma M l^3}{R^3} \quad \Rightarrow \quad g(r) = \frac{\gamma M l}{R^3}$$ где $l$ - расстояние от центра планеты, до центра столба жидкости. И равно: $$l = r + \frac{R-r}{2}$$ Найдём силу: $$F_r = \frac{\gamma Mm l}{R^3} = \frac{\gamma M\rho l}{R^3} S (R-r) = \frac{\gamma M\rho }{R^3} S (R^2-r^2)$$ Масса планеты равна: $$M = \rho \cdot \frac{4}{3}\pi R^3$$ Тогда давление будет равно: $$P_r = \frac{F_r}{S} = \frac{2}{3}\pi\gamma\rho^{2}\left( R^{2}-r^{2} \right)$$ При $r = 0$: $$P_{0}=\frac{2}{3}\pi\gamma\rho^{2}R^{2}$$