Две точечные массы
и
, находящиеся на расстоянии
друг от друга, согласно закону всемирного тяготения, притягиваются с силой
. Нам нужно иметь эту формулу в векторном виде. Обозначим
вектор, идущий от массы
к массе
. Тогда
,
- единичный вектор, направленный от
к
, и силу, действующую на массу
, можно записать в виде
.
Рассмотрим сферически симметричную массу
радиуса
, центр которой совпадает с началом декартовой системы координат
, и точечную массу
, расположенную в точке
, где
. Далее обозначим
,
, и пусть
- плотность распределения массы
(в силу сферической симметрии плотность зависит только от
). Область (шар)
, занятая массой
, задаётся условием
.
Масса
и плотность
связаны соотношением
Нам это соотношение понадобится, поэтому мы его преобразуем, перейдя к сферическим координатам
Здесь
- угол между осью
и вектором
, отсчитываемый в плоскости
от оси
в направлении кратчайшего поворота от
к
(
),
- угол между осью
и вектором
(
). В сферических координатах формула (1) принимает вид
(последнее выражение получается после вычисления интегралов по
и
).
Вычисление силы взаимодействия протяжённой и точечной массы осуществляется так, как Вы это пытались делать: протяжённая масса разбивается на части такой величины, чтобы их можно было считать практически точечными, сила притяжения массы
каждой из этих частей (в векторном виде!) вычисляется по ньютоновской формуле, и все силы складываются. В данном случае пусть область
разбита на части
, объёмы которых обозначим
, (средние) плотности -
, а
- какая-нибудь точка внутри
; тогда
- вектор, идущий от массы
к массе
,
.
Для силы притяжения получаем (приближённую) формулу
Эта формула тем точнее, чем мельче области
. Переходя к пределу, когда
, а наибольший из размеров областей
,
, стремится к нулю, вместо суммы получаем интеграл:
Как и в случае формулы (1), перейдём в формуле (3) к сферическим координатам:
Учитывая, что
и
, последнее выражение превращается в
Вычисляем внутренний интеграл:
Подставляя этот результат в (4) и сравнивая полученное выражение с (2), получим
то есть, сферически симметричное тело притягивает точечную массу так, будто вся масса этого тела сосредоточена в его центре (так как у нас
, знак "
" в этом выражении означает, что сила, действующая на массу
, направлена к началу координат).
Теперь рассмотрим два сферически симметричных тела. Как и раньше, разобьём одно из тел на мелкие кусочки, размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между телами. Вычисляя силу притяжения этих кусочков к другому телу, мы, согласно полученному результату, можем заменить это тело точечной массой, расположенной в центре этого тела. Тогда для силы притяжения между телами мы получим такую же формулу (3), и, после вычисления интегралов, тот же результат (5), где теперь
- расстояние между центрами тел.
Здесь можно получить ещё один замечательный результат. Предположим, что масса
имеет вид сферически симметричной оболочки
, а точечная масса
расположена внутри этой оболочки, то есть,
. Как и выше, для силы притяжения получаем выражения (3) и (4). Однако, из-за того, что теперь
, вычисление внутреннего интеграла в (4) даёт
, так как
, а
. Поэтому вместо (5) получается
. Далее такими же рассуждениями, как в предыдущем случае, этот результат переносится на тело любой формы, находящееся внутри сферически симметричной полости: внутри сферически симметричной оболочки полная гравитационная сила, действующая на любое тело, равна
.
Это не означает, однако, что гравитационное взаимодействие между телом и оболочкой отсутствует: сила притяжения между телом и различными частями оболочки не равна
.
Это утверждение верно не только для сферических оболочек, но и для оболочек в форме эллипсоидов, но я не помню точной формулировки, и вычисления там намного сложнее.
Замечание. Исправил опечатку в формуле (5). 8/II-2016.