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La comprensión intuitiva de los elementos en la tensión tensor de energía

Hay una imagen en la Wikipedia sobre el estrés-tensor de energía:

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Tengo un áspero comprensión del tensor de tensiones: imagina cortar un pequeño cubo de líquido y forman una matriz a partir de las fuerzas en cada lado de ella: no es difícil ver que las fuerzas que empujan a los rostros hacia fuera para la dirección x de la fuerza en el x lado, la dirección y de la fuerza en el eje lateral, etc. es la presión, mientras que otras fuerzas direcciones de la tensión de corte (estos pueden ser no nula es cierta sustancia gelatinosa).

Ahora la primera pregunta: ¿por Qué la mitad inferior de la distribución espacial de la parte es el impulso de flujo, mientras que sólo el superior es el esfuerzo cortante en la imagen? Es la imagen de malo? No es la espacial parte describe la clásica tensor de tensiones?

La segunda pregunta es: ¿qué es la intuición detrás de la temporal?

Así que si tengo un espacio-tiempo de Minkowski y cortar un cubo de ella, entonces es bastante difícil ver por qué la "presión" sobre el temporal cara de medios de la densidad, también la razón de que "las tensiones de corte" en el temporal cara traducir para el impulso de la densidad, no se habla de la "temporal de las componentes de fuerza" de la estructura espacial caras...

Destaca también se mide en Pascales, la densidad de la masa se mide en $kg/m^3$, mientras que el impulso de la densidad en unidades de $Ns/m^3$. Estas unidades no parece ser compatible, pero todavía están en la misma matriz, ¿por qué?

EDIT: Se ha señalado que el impulso de flujo se refiere a toda la parte azul, de hecho tienen un bastidor más ligero no me di cuenta. Entonces, otro subquestion: ¿cuál es la diferencia entre el impulso de la densidad y el impulso de flujo?

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JRT Puntos 97

Para cualquier materia/energía distribución que, en principio, puede montar desde el punto de partículas. Así que la tensión-tensor de energía de todo el sistema se puede expresar como una suma de la tensión de la energía de los tensores de las partículas puntuales. La razón de esta ayuda es que el estrés de la energía de un punto de partículas es muy simple. Es:

$$ T^{\alpha\beta}({\bf x},t) = \gamma m v^\alpha v^\beta $$

en la posición de la partícula y cero en todas las demás. La variable $v$ es el vector de velocidad de la $(c, \frac{dx}{dt}, \frac{dy}{dt}, \frac{dz}{dt})$, es decir, la derivada de la posición con respecto a la coordenada de tiempo (el tiempo).

Expresado de esta manera es obvio que todas las entradas en la tensión de la energía tensor de tener las mismas dimensiones de $ML^2T^{-2}$ (dividir por $L^3$ a convertirlo en una densidad). Así que la única pregunta que queda es ¿cómo el conjunto de propiedades como el impulso de la densidad y la presión emerge desde el punto de partículas descripción.

El $T^{00}$ elemento es fácil, ya que sólo $\gamma mc^2$, que es la energía. Así que todas las partículas puntuales y se obtiene la energía total.

El $T^{i0}$ elementos parecen a $\gamma mv^ic$, de manera que todas las partículas puntuales y obtener el momento total multiplicada por la velocidad en el momento en que dirección. Asimismo, la no-diagonal $T^{ij}$ elementos de dar el momentum total multiplicada por la velocidad en la $j$ dirección. Ambos son el impulso de los flujos.

Los elementos de la diagonal (aparte de $T^{00}$) se parecen a una energía cinética $\gamma m(v^i)^2$. Si usted se considera un conjunto de partículas con velocidades aleatorias (por ejemplo, térmica velocidades), entonces la energía cinética es simplemente con la presión, y es por eso que los términos de la diagonal son, efectivamente, una presión.

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Michael Seifert Puntos 3156

TL;DR: puede ser útil pensar en el por encima de la diagonal de naranja componentes como "flujo de energía" en lugar de "impulso de la densidad"; si usted hace esto, las interpretaciones en términos de tijeras y presiones a ser más natural.


He aquí otra manera de pensar de la tensión tensor de energía. En primer lugar, estás con suerte familiarizado con la noción de la energía-impulso de cuatro vectores: $p^\mu = (E/c, p_x, p_y, p_z)$. Cada uno de los componentes de esta cantidad se conserva.

En segundo lugar, se han esperemos que venir a través de alguna forma de la ecuación de continuidad. Esta es una declaración acerca de la conservación de una cierta cantidad, que puede fluir a través del espacio. Si esta cantidad tiene una densidad de $\rho$ y una densidad de flujo de $\vec{J}$, luego tenemos $$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \vec{\nabla} \cdot \vec{J} = 0. $$ Lo que esto dice, efectivamente, es que si la cantidad [foo] está fluyendo fuera de una región del espacio (es decir, $\vec{\nabla} \cdot \vec{J} \neq 0$ a un punto en particular), entonces la densidad de [foo] debe estar cambiando en ese momento (y con el signo opuesto). Este es, por ejemplo, cómo la conservación de la carga es aplicada en la electrodinámica clásica; si integramos la ecuación en algunos región y utilizar el teorema de la divergencia, obtenemos $$ \frac{dQ_\text{f}}{dt} + \cualquier \vec{J} \cdot d\vec{a} = 0, $$ es decir, si hay una corriente neta de flujo a través de la superficie, la carga encerrada está cambiando.

El estrés de la energía tensor puede ser pensado como la combinación de estos dos conceptos. Si queremos $E$ a ser conservada, por ejemplo, y permitimos que la energía que se extienden en el espacio, entonces debe obedecer a una ley como $$ \frac{\partial}{\partial t}\text{(densidad de energía)} = - \vec{\nabla} \cdot \text{(flujo de energía)} $$ y si queremos que el impulso para ser conservada, a continuación, cada uno de los componentes de impulso $x$, $y$, $z$ también debe satisfacer una ley similar: $$ \frac{\partial}{\partial t}\text{($p_x$ densidad)} = - \vec{\nabla} \cdot \text{($p_x$ flujo)} $$

Si nos fijamos en la $T^{1 \mu}$ componentes de la tensión tensor de energía, sin embargo, tenemos precisamente estas cantidades! $T^{10}$ es el impulso de la densidad; y $T^{11}$, $T^{12}$, y $T^{13}$ son los flujos de $x$-impulso en la $x$-, $y$-, y $z-$dirección respectivamente. Para ver por qué esto es, tenga en cuenta que si $x$-impulso se funde en la $x$-la dirección a través de una superficie, esto significa que los objetos en el otro lado de la superficie está experimentando una fuerza en el $x$-la dirección (desde $\vec{F} = d \vec{p}/dt$); y desde el impulso de flujo es sólo el impulso por el tiempo por la zona, $T^{11}$ es sólo una presión en el $x$-dirección. Por la misma lógica, si $x$-impulso se funde en la $y$-la dirección a través de una superficie, esto correspondería a un esfuerzo cortante (una fuerza es ejercida en paralelo a la superficie en lugar de perpendicular a ella).

Por lo que explica por qué el verde de los componentes son presiones, el azul oscuro son las tijeras, y los componentes $T^{10}$, $T^{20}$, y $T^{30}$ son el impulso de las densidades. Pero, ¿qué acerca de la conservación de la energía? Bien, si tratamos de hacer lo mismo aquí, podemos identificar a $T^{00}$ como la densidad de energía; pero bajo esta interpretación $T^{01}$, $T^{02}$, y $T^{03}$ son de la forma más natural el pensamiento de como flujo de energía en lugar de impulso de la densidad. Al parecer es sólo un hecho sobre el universo que estas dos cantidades son iguales entre sí; por lo menos, dado que las simetrías sabemos acerca entre el espacio, el tiempo, la energía y el impulso, debería parecer plausible que esto es cierto.

Por último: los cuatro ecuaciones anteriores se puede expresar bastante compacto, como $$ \frac{\partial T^{\mu 0}}{\partial t} + \partial_i T^{\mu i} = 0 $$ o incluso de manera más compacta como $$ \frac{\partial T^{\mu \nu}}{\partial x^\nu} = 0. $$ Por lo tanto, tenemos una bonita relación tensorial que expresan la conservación de la energía y el impulso en nuestro sistema.

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