R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
G. C ARICATO
Formulazione relativa delle leggi di evoluzione di un sistema continuo in relatività generale
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 68 (1982), p. 229-244
<http://www.numdam.org/item?id=RSMUP_1982__68__229_0>
© Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, 1982, tous droits réservés.
L’accès aux archives de la revue « Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova » (http://rendiconti.math.unipd.it/) implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/conditions).
Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit conte- nir la présente mention de copyright.
Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques
http://www.numdam.org/
leggi
di
unsistenza continuo in relatività generale.
G.
CARICATO (*)
Introduzione.
L’interesse fisico di una teoria delle deformazioni finite dei
corpi
elastici è reso
manifesto,
nell’ultimodecennio, dall’esigenza
di trat-tare,
per il suotramite, problemi
astrofisiciquali
la rivelazione della radiazionegravitazionale
mediante la sua interazione con la massadi un corpo elastico e l’analisi delle
proprietà
delle stelle di neutroniriguardanti
ilcomportamento
meccanico delle loro croste solide. A talproposito
ricordo B. Carter e H.Quintana [1]
iquali
hanno calcolatola deviazione dal
comportamento
di un fluidoperfetto
per una stella di neutroni in moto stazionario che subisce una deformazione elastica per effetto di un cambiamento del momentoangolare.
Ricordo inoltrel’ampia
trattazione della meccanica relativistica dei continui fatta da A. Bressan in un recente volume[2].
D’altra
parte
se l’ambiente naturale della Relativitàgenerale
èuna varietà riemanniana a 4 dimensioni dotata di metrica
iperbolica normale,
e leleggi
fisiche relativistiche sono ivi formulate utilizzandograndezze assolute,
è pur vero che il fisico nel suolaboratorio,
l’astro-nomo e l’astrofisico nei loro osservatori esaminando i fenomeni natu- rali operano in
particolari riferimenti,
ed hannobisogno
di conoscerequali legami
esistono fra legrandezze
assolute cheintervengono
nelleleggi
fisiche e legrandezze
relative che essi determinano con i loro(*) Indirizzo dell’A.: Istituto Matematico G.
Castelnuovo,
Città Univer- sitaria, Piazzale A. Moro, 00185 Roma.strumenti,
fondate su nozionioperative
di caratterespaziale
o tem-porale.
Ne consegue cheacquista
un senso concreto anchel’esigenza
di dare una formulazione relativa delle
leggi
fisicherispetto
a un rife-rimento fisico
assegnato.
Per taliragioni
inquesto
lavoro inizierò lo studio della evoluzione relativistica di un sistema continuorispetto
aun determinato riferimento
fisico,
fondandomi essenzialmente su pre- cedenti ricerche di C. Cattaneo[3]
e mie[4].
1. Preliminari
geometrico-cinematici.
Il tensore di deformazione.Com’è
noto,
lospaziotempo
ambiente dei fenomenigravitazionali
ed
elettromagnetici
è dato da una varietà differenziabile a 4 dimen- sioni nellaquale,
introdotto un sistema di coordinate localixh,
siaassegnata
una metricaiperbolica
normale cui attribuiremo segna- tura+ + +
-.Supponiamo
che la struttura riemanniana della va-rietà
V~4
sia determinata dalla evoluzioneregolare
di un sistema mate-riale continuo
~,
di cui indichiamo con W laconfigurazione generica
e con W* una ben determinata
configurazione
di riferimento che pos-siamo,
adesempio,
far coincidere conquella
assunta dal sistema Y a un dato istante.Il sistema di coordinate xh introdotto sia tale che la
configura-
zione W abbia
equazione
z4 = cost e W*equazione
x4 = 0. Pensiamopoi
introdotto inV,
un secondo sistema di coordinate localiy4,
cony4
= z4 e ,yl@ y2, y3
coordinate dellaparticella generica
P* diW*,
chela
particella
stessaporta
invariabilmente con sè durante la sua evo-luzione. La
corrispondenza
fra i due sistemi di coordinate sarà espressa daleggi
deltipo
Esse istituiscono un omeomorfismo fra le
configurazioni
~* eW,
epermettono
di descrivere perogni punto
P* di ~* lacorrispondente
linea di corrente (o traiettoria
spaziotemporale).
Indichiamo con~L~
la congruenza delle linee di
corrente,
y del generetempo,
y di tutte leparticelle
di !7 e con u il campo di vettori di norma - 1tangenti
allelinee della congruenza
{L}
e rivolti verso il futuro.Per l’invertibilità della
corrispondenza (1.1) possiamo
anche pren-dere in considerazione la trasformazione inversa
ne segue che le
coordinate yh
possono essere assunte anch’esse comecoordinate atte a
rappresentare
leparticelle
di T. Chiameremo le xh coordinate euleriane e leyh
coordinatelagrangiane
delgenerico punto
Pdi
~;
e indicheremo con lecomponenti
covarianti euleriane del tensore metrico diV’~
inP,
conle
corrispondenti componenti lagrangiane.
Parimentiindicheremo,
coni simboli di Christoffel di 2a
specie
in coordinatelagrangiane,
equindi legati
allecorrispondenti espressioni
eulerianehhk
dalle relazioniIl campo di vettori u
tangenti
alle linee di corrente di/7,
orientativerso il
futuro,
avràcomponenti
controvarianti eulerianee
componenti lagrangiane
con
Osserviamo che il sistema di coordinate
lagrangiane y"
verifica la circostanzaseguente: lungo ogni
linea di corrente del sistema~
ossialungo ogni
linea della congruenza{L}
si haNe consegue che il campo di vettori u ha
componenti
controva-rianti
lagrangiane
com’è indicato in
(1.6).
Per tali motivi si suol dire che il sistema dicoordinate yr
è adattato alla congruenza{L}.
D’ora in
poi
assumeremo localmente la congruenza{L}
come rife-rimento fisico
rispetto
alquale
studieremo l’evoluzione del continuo.9,
anche se l’effettiva conoscenza della congruenza medesima si ottiene soltanto
quando
sono determinate leleggi
finite di evoluzione del si- stema materiale .9.In
questo
lavoro supporremo note sia la metrica diY4
sia la con-gruenza
~.L~,
e ci preoccuperemo unicamente di formulare leleggi
dievoluzione di una certa classe di sistemi continui
[cfr.
n.2] rispetto
alriferimento fisico
{L} operando
inquesto
con la tecnica delleproie-
zioni
[5].
A tale scopo in
ogni
evento P dellagenerica
linea del riferimento fisico{L}
consideriamo lospazio
vettorialetangente
alla varietàT, decomposto
nella somma di unsottospazio
unidimensionale6 p
colli-neare a
u(P)
e di unsottospazio
tridimensionaleEP ortogonale
au(P).
Indichiamo
poi
conle
componenti
euleriane del tensore metrico di27p,
noto come tensoremetrico
spaziale standard,
e conle
corrispondenti componenti lagrangiane.
Indichiamo inoltre conla norma
spaziale
delgenerico
elemento lineare dP diY4,
eponiamo
Il tensore metrico rhr ci consente di definire il tensore locale di deformazione del sistema continuo Y nello
spostamento
chequesto
subiscequando
passa dallaconfigurazione
di riferimento T* alla con-figurazione
~.A tale scopo indichiamo con
y3) m y2, y3, 0)
il ten-sore metrico
spaziale
standard in W* e conla norma dell’elemento lineare
dP*
di W*.Premesso
ciò,
chiamiamo tensore locale dide f ormazione
del sistemacontinuo Y nello
spostamento
tensore simmetricospaziale
la cui
espressione
euleriana èOsserviamo che la congruenza
{L} può
essereinterpretata
local-mente come l’insieme delle traiettorie di un gruppo di trasforma- zioni a un
parametro
il cui campogeneratore
è il campo di vettori u;in
questo
ordine di idee sussistono le relazioninelle
quali l’operatore 2u
indica la derivata d2 Lierispetto
al gruppodi trasformazioni
generato
dal campo di vettoriu(x) .
Scritte in forma
lagrangiana
le relazioni(1.15)
diventano2. Il
principio
di conservazione della massa di pura materia. Il tensoredegli
sforzi.Cominciamo con le
seguenti
osservazioni:I)
L’entegeometrico-cinematico
assolutopiù
immediato asso-ciato a un
qualsiasi
elemento C(porzione piccolissima)
del continuo nella suaconfigurazione T
è il tubo elementare d’universoTe
che Cdescrive durante la sua evoluzione.
II)
Iltempo
relativostandard I
di P e e è diverso ingenerale
da
quello
diogni
altroevento Q
EC,
diverso daP,
in virtù dellaformula
III)
In un intorno 4-dimensionale di Cpossiamo
sostituire al sistema di coordinate localiyr
un altro sistema di coordinate localiyr’,
sempre interno al riferimento fisico
~.L~,
che in P soddisfi le condizioni
Il nuovo sistema di
coordinate
1 cos ottenuto risultatempo- ortogonale
inP,
ossia l’elementod’ipersuperficie y4’
= cost. contenen-te P è
ortogonale
au(P)
eperciò tangente
aEp
in P. Ne segue che la trasformazione(2.2)-(2.3) può
essere ancheinterpretata
come un omeo-morfismo che fa
corrispondere
a Cl’intersezione C = rC n EP,
edogni
tensore
puramente spaziale
definito in Cpuò
essere ancheinterpre-
tato come un tensore definito
in C:
ciòsoprattutto
allo scopo di de- durre relazioni tensoriali valide in P.Premesse
queste osservazioni,
nellospazio
vettorialetangente
aV4
in Pscegliamo
comequaterna
di vettori base di un riferimentolocale i vettori
Potendo
interpretare .9,
comeri f erimento
locale diquiete
istantanea(o
di motoincipiente)
per l’elemento~,
sembra lecito accettare inf!ltp, proprio
come in meccanica newtoniana:a)
ilprincipio
di conservazione della massa di puramateria;
b)
la nozione di sforzo fra due elementicontigui
del continuoQ ; c)
iprincipi
della termodinamica.Se indichiamo con p la densità di massa
propria
in CC e con dVil volume
proprio
delgenerico
elemento C di~;
con,u*
la densità dimassa
propria
nellaconfigurazione
di riferimentoW*,
e con dV* ilvolume
(proprio)
dell’elemento C*corrispondente
diC,
ilprincipio
diconservazione della massa di pura materia in forma
lagrangiana
assumela forma
Poichè
valgono
le formuleall’equazione (2.5) possiamo
sostituirel’equivalente
Quest’ultima
vienepoi
ad assumere la forma eulerianaA
proposito
della nozione di sforzospecifico §n
ci limiteremo ad ammettere in~p
che le azioni di contattoesplicate
sulla frontiera 3 C dell’elemento Cdagli
elementi di ~contigui
a C medesimo sianosoggette
alla condizioneseguente:
Scegliamo
come elemento C di !7 un tetraedro infinitesimo diE p
con un vertice in P
( 1 )
e i trespigoli
concorrenti in Pparalleli
aivettori
e(?;
indichiamo con un vettore del generespazio,
dinorma
1, ortogonale
alla 2-faccetta del tetraedroopposta
al verticeP,
con lo sforzo
specifico
relativo a tale2-faccetta,
e con@ ~ (2) +3>
rispettivamente gli
sforzispecifici
relativi alle 2-faccette del tetraedro le cuigiaciture
sonoquelle
individuate dallecoppie (e2, es), (es, e~),
~2).
Posto inoltrel’applicazione
della formula(2.9)
colprocedimento
usato nella mecca-nica classica in coordinate
generali
consente di dedurre nelgenerico punto
P di C la formula diCauchy
Ai
prodotti
scalaridiamo il nome di caratteristiche
lagrangiane degli
sforzi(o
di ten-sione o dello
stress).
Abbiamo cos introdotto un tensore stress definito come un ten- sore di per il
quale postuliamo
le relazioni di simmetr2a(2)
(1) Propriamente
dovremmo dire unaporzione
di Y omeomorfa a untetraedro infinitesimo di
~~;
e in modoanalogo
dobbiamo intendere i vet- tori O(s). Ma in virtù dellaprecedente
Osservazione IIpossiamo sempli-
ficare il nostro
linguaggio.
(2)
Questopostulato
èimposto
dalleequazioni gravitazionali
einsteiniane.Possiamo modificarne la
definizione,
s da pensare allo stress come aun tensore
puramente spaziale
e simmetrico diV4.
A tale scopo in- troduciamo in un tensore simmetrico yrs(r, s
=1, 2, 3, 4)
pura- mentespaziale rispetto
al riferimento fisico~.L~,
le cuicomponenti
YQT siano date dalle formule
(2.13).
Tale definizione
impone
al tensore yrs le condizionile
quali
si traducono nelle relazioniQueste
relazioni mostrano che lecomponenti
yrs dello stress sonoesprimibili
tutte mediante le 6componenti
distinte Yez. Tale circo- stanza è ancheposta
in evidenza dalla formulaVolendo
esprimere
lo stress mediante le suecomponenti
eulerianeponiamo
Chiameremo le funzioni
Xr8(z)
le caratteristiche euleriane dello stress.Vedremo ora cosa
potremo
trarre dall’accettazione in del lo edel 2 ~
principio
della Termodinamica. La loro ammessa validità ci consente di limitareogni
nostra futura considerazione aquella
classedi sistemi continui per i
quali l’entropia specifica s,
funzione caratte-ristica della struttura dei
corpi
comel’energia
internaspecifica
u, sia dotata dellaproprietà seguente:
« Introdotta la scala assoluta delle
temperature,
in unaqualunque
trasformazione infinitesima di un dato corpo la
corrispondente
varia-zione di
entropia
coincide colrapporto
fra il calore2q
assorbito(in
senso
algebrico)
dall’unità di massapropria
del corpo medesimo e latemperatura
assoluta T di tale massa ».Questi
sistemi sono chiamati sistemi atrasformazioni
reversibili.Per
ogni
elemento C di un siffatto continuo Y ha un ruolo essen-ziale anche
l’energia
libera(o potenziale termodinamico)
E indicando
l’equivalente
meccanico del calore. Tenendopresente
che u e s sono definite a meno di una costante additiva
arbitraria,
il
potenziale
termodinamico F risultadefinito,
perogni
elemento di corpo, a meno di una funzione lineare dellatemperatura
T.Ricordiamo che mentre nelle trasformazioni isoterme interviene es-
senzialmente
l’energia libera,
nelle trasformazioni adiabatiche inter- vienel’energia
interna.Comunque
in relativitàgenerale
perogni
sistema a trasformazioni reversibili occorreconsiderare,
accanto alla densità dienergia propria
di pura materia
una densità di
energia propria
termodinacmica che indicheremo conove w
rappresenta
/%’ nelle trasformazioni isoterme ed u nelle trasfor- mazioniisoentropiche.
Ne consegue che alcorpo S
dobbiamo attri- buire una dens2tà di massacpropria
Se ammettiamo inoltre che fra elementi
contigui
del corpo non avvengano scacmbitermici,
come accade nelle trasformazioni adiaba- tiche onegli
stati diequilibrio isotermo,
e dobbiamoperciò
tenerconto soltanto delle azioni meccaniche di
contatto,
al tensore ener-gia-impulso
di un siffatto sistema continuopossiamo
dare la forma eulerianao
l’equivalente
formalagrangiana
3.
L’equazione
fondamentale e le condizioni al contorno.Ricordiamo che in relatività
generale
il tensoreenergia-impulso
deve avere
divergenza nulla,
ossia deve soddisfarel’equazione
Attribuendo a Thk
l’espressione (2.23) l’equazione (3.1)
assume laforma
donde segue, con ovvie trasformazioni e in virtù di
(2.8),
Approfondiremo
ora il senso diquesta equazione
valutandone leproiezioni spaziale
etemporale.
A tale scopo,posto
cominciamo a interessarci
dell’equazione
In virtù della condizione
(3.6)
da
(3.5)
deduciamoTenendo conto inoltre delle identità
(cfr. [5])
l’equazione (3.7)
diventaOsserviamo che la 4-velocità assoluta
della
generica particella
delcorpo Y può
essere anche scritta nella formadi conseguenza la 4-accelerazione assoluta diventa
Pertanto
all’equazione (3.9) possiamo
darel’espressione seguente:
È spontaneo
fare un confronto fral’equazione
ora ottenuta e la1 a
equazione
vettoriale indefinita della meccanica classica dei continui:Àlla densità di pura materia
presente
nel caso classicocorrisponde
in relatività
generale
una densità di massapropria
che include anche la massadell’energia termodinamica;
ladivergenza spaziale
dello stressè formalmente comune nei due
casi;
al vettore della forza di massacorrisponde
in relatività una 4-forza del generespazio agente
sulgenerico
elemento delcontinuo,
yche
esprime
l’interazione fra lo stress e il riferimento fisico.Questo
confronto induce ad ammettere che sulgenerico
elemento C del cor-po
/7,
tutto interno aW,
in un riferimento locale di motoincipiente, agiscano
una4- f orza d’inerzia,
una4- f orza d’interazione,
e sul con-torno 8C uno
stress,
i cuirispettivi
vettorisono tutti
puramente spaziali.
Se ora consideriamo
l’equazione
di carattereintegrale
1’applicazione
della formola diCauchy (2.12)
e del teorema della diver- genzapermettono
di verificare chedall’eq. (3.16)
seguel’espressione lagrangiana dell’equazione (3.13).
Infatti valendo la relazionel’equazione (3.16)
diventaPoichè
quest’ultima
sussistecomunque
sia scelto inW,
da essasegue
l’equazione
localeossia
proprio l’equazione lagrangiana (3.13).
Per tali motivil’equa-
zione
(3.13)
ol’equivalente (3.19)
sarà chiamatal’equazione fonda-
mentale
(o
la laequazione
vettorialeindefinita)
della meccanica rela- tivistica deicontinui,
el’equazione (3.16)
sarà indicata come la laequazione
cardinale della meccanica relativistica dei continui. Chiame-remo inoltre 2a
equazione
vettorialeindefinita
della meccanica relati- vistica dei continui le relazioni di simmetria(2.14), ponibili
anchenella forma
giacchè quest’ultima
nel caso classico haproprio
tale denominazione.In modo
analogo
a come si fa nel casoclassico,
dalla laequazione
cardinale
possiamo
dedurre facilmente le condizioni al contornoquando
conosciamo la densità di 4-forza
(o
4-forzaspecifica) F(Q), VQe
2W.a )
Se indichiamo conf(Q)
laproiezione spaziale
diF(Q)
sullapiattaforma
locale le condizioni al contorno suddette hanno la formaPossiamo
però
associareall’equazione (3.13)
o(3.19)
altritipi
dicondizioni al contorno.
Prendiamo in considerazione le altre
seguenti:
b)
Sia h il tubo d’universo descritto dalcorpo 91 lungo
la suaevoluzione,
apartire
da unaconfigurazione
W*. Indicando conQ
ilgenerico
evento della frontiera di1~, 2F2
econ nQ il
versore della nor-male a 2.,T’ in
Q
orientata verso l’interno di1-’, supponiamo
note leequazioni
delle linee orarie descritte daipunti
dic)
Potremmo anche limitarci ad assegnare dati relativi soltanto allaconfigurazione
iniziale di ~:parleremmo
in tal casopiù
pro-priamente
di condizioni iniziali.Ammesso che la
configurazione
siarappresentata
inV,
daun’equazione
deltipo
date ad arbitrio due terne di funzioni
regolari
delley,2,
con l’unico vincolo
che, posto
il campo di
vettori qh
sia del generetempo,
eperciò
verifichi la li- mitazioneimponiamo
alle funzioniincognite
soluzionidell’equazione
fon-damentale
(3.13),
di soddisfaresull’ipersuperficie
iniziale ~* le relazioniche in termini fisici
equivalgono
ad assegnare in W*posizione
e 4-ve-locità di
ogni particella
del corpo Y.Dedotto ciò che era
possibile,
ingenerale, dall’equazione (3.5) prendiamo
in esame laproiezione temporale dell’equazione (3.3),
ossial’equazione
Tenendo
presenti
le condizioni[cfr. (1.7), (2.15)]
da
(3.28)
otteniamoPer
comprendere compiutamente
il senso diquesta equazione,
ap-plicata
ai sistemi a trasformazioni reversibili occorre trattare alcune altrequestioni
che sarannoesposte
in unaprossima
Nota. Mostre-remo ivi che
l’equazione (3.19)
e le condizioni al contorno(3.21),
inanalogia
col casoclassico, permettono
di dedurre unaequazione
sim-bolica della meccanica relativistica dei continui nella
quale
èposto
in
evidenza,
inparticolare,
che il lavoro elementare delle forze in- timepuò
esseredecomposto
in un lavoro elementare di « deforma- zione » e in un lavoro «complementare
». L’intervento del lavoro ele- mentare di deformazione consente di ottenere per i sistemi a trasfor- mazioni reversibili delleequazioni
costitutive.Queste
ultime consentono dicompletare
l’analisidell’equazione (3.30)
inquanto permettono
di verificare che perogni
sistema a tra-sformazioni reversibili tale
equazione
è soddisfatta identicamente.BIBLIOGRAFIA
[1]
B. CARTER - H. QUINTANA, Foundationsof general
relativistichigh
pressureelasticity theory,
Proc. R. London Soc., A 331 (1972), p. 57.[2]
A.BRESSAN,
Relativistic Theoriesof
Materials,Springer
Tracts in NaturalPhilosophy,
vol. 29, 1978.[3]
C. CATTANEO,Saggio di
una teoria relativistica dellaelasticità,
1°Congresso
Nazionale di Meccanica teorica ed
applicata,
International Centre for Mechanical Sciences, Udine, 1971.[4]
G. CARICATO, Ilproblema
ristretto di evoluzione per unfluido perfetto
caricodi
elettricità,
Ricerche di Matematica, Vol. XXV, 1976.[5]
C. CATTANEO, Teoriamacroscopica
dei continuirelativistici, Pitagora
Edi- trice,Bologna,
1980.Manoscritto