5.1.  Pola centralne
Definicja 5.1
    Polem centralnym  w R3 nazwiemy pole wektorowe F na Rn\0 o postaci
  
    gdzie f:R+→R jest funkcją ciągłą a |x|=<x,x>12.
Pole (5.1) jest zawsze  potencjalne z potencjałem Vx=gx gdzie g jest funkcją pierwotną f. (Porównaj dowód Swierdzenia  4.3.).
  Definicja 5.2
    Grupą ortogonalną On,R nazwiemy grupę przekształceń liniowych, scharakteryzowanych warunkiem:  A∈On,R wtedy i tylko wtedy, kiedy
  
      
      
	
	|  | Ax,Ay=x,ydlax,y∈Rn |  | (5.2) | 
      
      
    Warunek ten jest równoważny warunkowi podającemu opis macierzy przekształceń liniowych tworzących  O(n,R):     A∈On,R wtedy i tylko wtedy, kiedy macierz A tego  przekształcenia względem dowolnej bazy ortonormalnej spełnia warunek
  
    gdzie At oznacza macież transponowaną do A.
  Stwierdzenie 5.1
    Pole centralne (5.1) jest niezmiennicze dla naturalnego działania w Rn\0 grupy przekształceń ortogonalnych  On,R.  Oznacza to, że  dla  każdego 
A∈On,R  oraz   dla każdego x∈Rn0 zachodzi
  
    Dla przekształcenia liniowego B jego różniczka w dowolnym punkcie jest równa B. Zatem z (5.1) dla A∈On,R oraz x∈Rn wynika
  
      
      
	
	|  | F(A(x)))=f(|A(x)|)AxAx=fxxA(x)=A(F(x))=(dxA)(F(x)) |  | 
      
      
    Wykorzystaliśmy tu równość  Ax=x  wynikającą z (5.2).
  ∎
 Stwierdzenie 5.2
    Dla pola centralnego w R3 moment pędu  M  jest całką pierwszą.
  
    Niech R∋t→xt∈R3\0 będzie ruchem punktu o masie m pod działaniem centralnej siły F.  Niech [⋅,⋅] oznacza iloczyn wektorowy w R3. Wtedy
  
      
      
	
	|  | ddtMt=ddtxt,mx˙t=x˙t,mx˙t+xt,mx¨t=xt,Fxt=0 |  | 
      
      
    bo wektor Fxt jest proporcjonalny do xt.
  ∎
 Wniosek 5.1
    Ruch w polu centralnym w R3 jest płaski. Dokładniej:
  
    (A) Jeżeli x0,mx˙0=M0≠0 to ruch odbywa się w płaszczyźnie.
  
    którą też można opisać jako płaszczyznę rozpinaną przez x0 oraz x˙0.
  
    (B) Jeżeli M0=0 to ruch odbywa się po prostej zawierającej 0 oraz x0.
  
    (A) Ze stałości Mt wynika, że xt,mx˙t=M0. Zatem xt⟂M0 dla każdego t. Ponadto x0 i x˙0 należą do N i nie są współliniowe.
  
    (B) Jeżeli M0=Mt=0 to x˙(t)||x(t) czyli
  
    gdzie funkcja a:R→R jest różniczkowalna ( bo t→xt) jest dwukrotnie różniczkowalna).  Niech b:R→R+ będzie funkcją różniczkowalną. Wtedy funkcja wektorowa yt=btx0 spełnia warunek
  
      
      
	
	|  | y˙t=b˙tbtyt=ddtlnbt⋅yt, |  | 
      
      
    który dla b0t=e∫1tasds przechodzi na (5.6). Z twierdzenia o jednoznaczności mamy więc
  ∎
 Wniosek 5.2
    Niech F będzie polem centralnym  w R3, a V podprzestrzenią w R3, rozpiętą przez dwie pierwsze osie współrzędnych.
Każdą trajektorię ruchu w polu F można uzyskać jako obraz pewnej trajektorii tego pola, leżącej w V, za pomocą pewnego przekształcenia A∈O3R.
  
    Niech
  
    będzie krzywą ruchu dla pola F.
Rozpatrzmy przypadek kiedy
  
    Przypadek M0=0 zostawimy jako zadanie czytelnikowi.
Niech A∈O3,R będzie takim  przekształceniem ortogonalnym , że
  
    Wtedy AV=N (N jak w (5.5)).
Niech
  
    i niech δt będzie krzywą ruchu w polu F wyznaczoną przez warunki początkowe δ0=x0 ,δ˙=y0. Wtedy δt∈V oraz γt=Aδt.
  ∎
 Wniosek 5.3
    Każdy ruch w polu centralnym R3 jest izometrycznie równoważny pewnemu ruchowi w polu centralnym w R2.
  
    Każde pole centralne w R2 powstaje przez ograniczenie do przestrzeni V≃R2 pewnego pola centralnego w R3   - i odwrotnie - każde takie pole jest wyznaczone przez swoje ograniczenie do V.
  ∎
 
     
  
    
    5.2.  Ruch w polu centralnym w R2
  
    Zaczniemy od sformułowania analogii Stwierdzenia 5.2 dla  ruchu w centralnym polu w R2. Dla uproszczenia, w dalszej części tego punktu przyjmiemy, że  m=1. Zanurzając R2 jako przestrzeń V  w R3 rozważmy ruch xt=x1t,x2t,0 w R3.
Wtedy
  
      
      
	
	|  | xt,x˙t=0,0,x1tx˙2t-x2tx˙1t. |  | 
      
      
    Zatem funkcja
  
      
      
	
	|  | Mt=x1tx˙2t-x2tx˙1t |  | (5.7) | 
      
      
    jest (skalarną) całką pierwszą ruchu w polu centralnym  w R2. Nadamy tej funkcji sens geometryczny, przechodząc do współrzędnych biegunowych r,φ.  Wtedy
  
    a zatem
  
      
      
	
	|  | x˙1t=r˙tcosφt-rtsinφt⋅φ˙t |  | 
      
      
 
  
      
      
	
	|  | x˙2t=r˙tsinφt+rtcosφt⋅φ˙t |  | 
      
      
    i otrzymamy
  
      
      
	
	|  | Mt=rtcosφtr˙tsinφt+rtcosφt⋅φ˙t- |  | 
      
      
      
      
	
	|  | -rtsinφtr˙tcosφt-rtsinφt⋅φ˙t=r2tφ˙t |  | 
      
      
    Widzimy, że wyrażenie (5.7) przyjmie we współrzędnych biegunowych postać
  
      
      
	
	|  | Mt=Mrt,φt=r2t⋅φ˙t. |  | (5.8) | 
      
      
Stwierdzenie 5.3
    Dla ruchu w polu centralnym w R2 opisanym za pomocą współrzędnych biegunowych zachodzi
  
    gdzie
  
      
      
	
	|  | Pt=12∫t1tr2tφ˙tdt |  | (5.10) | 
      
      
    oznacza pole sektora ograniczonego promieniami φt1,φt oraz krzywą ruchu rt=rφt.
Wielkość dPdtt nazywamy prędkością polową.
  
    Ponieważ w przypadku koła o promieniu r pole wycinka kołowego opartego na łuku o kącie środkowym △φ wynosi
  
      
      
	
	|  | △P=πr2⋅△φ2π=12r2△φ |  | 
      
      
    to pole sektora krzywoliniowego ograniczonego promieniami φ1 i φ oraz krzywą rφ otrzymamy jako
  
      
      
	
	|  | Pφ=12∫φ1φr2φdφ |  | (5.11) | 
      
      
    Zakładamy, że funkcja φ→rφ jest ciągła na  przedziale φ1,φ.
Jeżeli zarówno r jak φ są funkcjami t i przy tym φ jest monotoniczna, Pφ przechodzi na (5.10) i wtedy
  ∎
 Wniosek 5.4
    Ruch w polu centralnym w R3 odbywa się w płaszczyźnie w taki sposób, że jego prędkość polowa względem centrum jest stała.
  
    Reguła ta została doświadczalnie wykryta przez Keplera dla ruchu Marsa wokół Słońca.
   
     
  
    
    5.3.  Całkowanie równań ruchu w polu centralnym w R2
  
    Ponieważ siła w polu centralnym w każdym punkcie jest skierowana radialnie, wygodnie będzie opisywać ruch, rozkładając w każdej chwili występujące wektory względem zmiennego układu ortogonalnego er,eφ w taki sposób ,że dla punktu o współrzędnych biegunowych rt,φt stosowany w chwli t
układ będzie miał postać:
   
  
    Ostrzeżenie
Obserwowana poprzez liczenie pochodnych zmiana w czasie dotyczy układu nieruchomego i te pochodne dopiero po ich policzeniu rozkładamy względem zmieniającej się w czasie bazy.
   
  
    Zaczniemy od obliczenia pochodnych funkcji t→ert i t→eφt i przedstawieniu ich w układzie ruchomym. I tak
  
      
      
	
	|  | e˙rt=-sinφtφ˙tcosφtφ˙t=φ˙teφte˙φt=-cosφtφ˙t,-sinφtφ˙t=-φ˙tert |  | (5.12) | 
      
      
 
  
    (W dalszym ciągu dla  większej przejrzystości długich wzorów zrezygnujemy z pisania explicite argumentu t. Zatem  napiszemy φ
zamiast φt, podobnie φ˙ zamiast φ˙t i tak dalej.)
   
  
    Pisząc  xt=rtert  i stosując  (5.12) otrzymamy
  
      
      
	
	|  | x˙=r˙er+re˙r=r˙er+rφ˙eφ |  | 
      
      
      
      
	
	|  | x¨=r¨er+r˙φ˙eφ+r˙φ˙eφ+rφ¨eφ-rφ˙2er=r¨-r˙φ˙2er+2r˙φ˙+rφ¨eφ |  | 
      
      
 
  
    Ponieważ Fx=frer, otrzymamy stąd dwa równania
  
      
      
	
	|  | r¨-rφ˙2=fr2r˙φ˙+rφ¨=0 |  | (5.13) | 
      
      
 
  
    Zauważmy, że zasada stałości prędkości polowej oznacza, że
   
  
    czyli
  
    a zatem drugie z równań (5.13) jest równoważne warunkowi (5.14), który  jest równoważny równości mr2φ˙=M.   M jest stałą zależną od warunków początkowych, którą dla zwięzłości nazwiemy momentem pędu. Zatem
   
  
    Wstawiając (5.15) do pierwszego z  równań (5.13) sprowadzamy je do postaci zawierającej tylko funkcję rt i jej pochodne:
   
  
  
    Podsumujemy nasze rozważania tak:
   
Stwierdzenie 5.4
    Odległość od środka układu w ruchu centralnym w R2  z momentem pędu M i potencjałem Vx,y=gr zmienia się jak odległość od zera w jednowymiarowym ruchu z potencjałem
  
    Istotnie, możemy przepisać (5.16) w postaci
  
      
      
	
	|  | mr¨=-ddrgr+M2mr3=-ddrgr+M22mr2 |  | (5.18) | 
      
      
∎
 Stwierdzenie 5.5
    Energia całkowita w ruchu dwuwymiarowym z ustalonym momentem pędu M jest taka sama, jak dla ruchu jednowymiarowego z potencjałem (5.17).
  
    W ruchu z potencjałem (5.17) otrzymamy
  
      
      
	
	|  | E1=mr˙22+gr+M22mr2 |  | (5.19) | 
      
      
    natomiast w ruchu dwuwymiarowym, kiedy
x=rer, mamy x˙=r˙er+rφ˙eφ  a więc dla φ˙=Mmr2
otrzymamy energię kinetyczną w postaci
  
      
      
	
	|  | Tx˙=12mx˙2=mr˙2+r2φ˙2=m2r˙2+r2M2m2r4=mr˙22+M22mr2. |  | 
      
      
    Aby podać explicite rozwiązanie równań (5.13) posłużymy się jeszcze jedną całką prostą, jaką jest energia całkowita (5.19).
Z (5.19) wynika, że  przy ustalonych energii całkowitej E oraz momencie pędu M  mamy
  
      
      
	
	|  | drdt2=2mE-gr-M22mr2 |  | 
      
      
    skąd
  
      
      
	
	|  | t2-t1=±∫r1r2dr2mE-gr-M22mr2 |  | (5.20) | 
      
      
    Chcąc znależć postać φt zauważmy, że  ze związku φ˙r2=M wynika, że φ˙ jest ustalonego znaku  a więc φ jest monotoniczną funkcją t1 i ma funkcję odwrotną  tφ. Wobec tego  rφ=rtφ z zatem
  
      
      
	
	|  | drdφ=r˙φ˙albodφdr=φ˙r˙. |  | 
      
      
    Podstawiając  tu φ˙=Mr2  oraz r˙=±2mE-Ur otrzymamy
  
    skąd
  
      
      
	
	|  | φ2-φ1=±∫r1r2Mr22mE-gr-M22mr2 |  | 
      
      
∎