Zagadnienia

6. Ruch w polu potencjału grawitacyjnego w R3

6.1. Całkowanie równań ruchu

Jak zauważyliśmy w Przykładzie 1.2 siła z jaką Ziemia przyciąga małe obiekty jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalna do kwadratu ich odległości od środka Ziemi. Występujący we wzorze iloczyn masy Ziemi i masy przyciąganego przez nią obiektu zastąpimy dodatnim współczynnikiem k. Sytuacja ruchu takiego obiektu w polu grawitacyjnym Ziemi odpowada ruchowi w centralnym polu w R3 z potencjałem

Ur=-kr.

Zgodnie z rozważaniami z poprzedniego wykładu, podczas ruchu ciała o (stałym) momencie pędu M w centralnym polu w R3 odległość r ciała od centrum zmienia się tak, jak w jednowymiarowym ruchu z potencjałem zredukowanym

Wr=-kr+M22r2.

Wykres tego potencjału ma postać:

Brak opisu

Ze Stwierdzenia 5.5 wiemy, że stała energia całkowita wynosi E=mr˙22+Wr a więc

r˙2=2mE-Wr (6.1)

Z (6.1) wynika, że dla jakiegokolwiek ruchu musi być r˙t20, a zatem EWr. Kształt wykresu Wr pokazuje, że ostatni warunek przy E0 zachodzi dla r stanowiących półoś rmin,+, natomiast E<0 zachodzi dla r z przedziałem rmin,rmax.

Wyprzedzając ilościowy opis, który nastąpi, powiemy, że dla E0 mamy do czynienia z sytuacją, kiedy nadlatujący z kosmosu obiekt ma zbyt dużą energię żeby zostać ”uwięziony” w roli satelity, jego tor ulega tylko zakrzywieniu i odlatuje z powrotem w kosmos.

Przypadkowi E<0 odpowiada okresowy ruch po orbicie wokół centrum. W każdej z dwóch powyższych sytuacji interesują nas jedynie wartości r, przy których zachodzi (6.1), zatem otrzymamy wtedy

r˙=±2mE-Wr (6.2)

przy czym znak ” + ” dotyczy części trajektorii, kiedy r˙0 a znak ” - ” ma zastosowanie, kiedy r maleje, czyli obiekt zbliża się do centrum. Jak pokazaliśmy (6.2) daje po rozwiązaniu zależność pomiędzy kątem φ a promieniem r we współrzędnych biegunowych w postaci

φ-φ0=±mr0rMdrr22E+kr-M22r (6.3)

Zwróćmy uwagę, że powyższy wzór odpowiada przyjętym dla r i dla φ jednostkomi. Zmieniając je np. tylko dla φ możemy zlikwidować czynnik liczbowy, pojawiający się po prawej stronie równości (6.3).

Oznaczając funkcję pierwotną funkcji podcałkowej w (6.3) przez F możemy też przyjąć φ0=Fr0, co doprowadzi do wzoru φ=±Fr. Aby znależć tę funkcję pierwotną przekształcimy funkcję podcałkową do postaci:

CBr1-Ar2 (6.4)

gdzie Br=ddrAr a C jest stałą ujemną.

Ponieważ arccoss=-11-s2 otrzymamy w rezultacie

φ=±CarccosAr (6.5)

Sprowadzimy funkcję podcałkową do postaci jak w (6.4).Zauważmy, że

2E+2kr-M2r2=-Mr-kM2+2E+k2M2=
=2E+k2M21-Mr-kM2E+k2M22

zatem przyjmując

Ar=Mr-kM2E+k2M2

otrzymamy

Ar=-M2E+k2M21r2=Br

i dla uzyskania (6.4) a więc i (6.5) wystarczy przyjąć C=-2E+k2M2.

W postępowaniu powyższym jest luka polegająca na braku informacji,
że 2E+k2M20, co uniemożliwia napisanie potrzebnych formuł. Jeżeli E0 sprawa jest oczywista. Jeżeli E<0, to z (6.1) wynika, że

2E-Wr=2E+2kr-M2r20

a więc 2Er2+2kr-M20. W przypadku E<0 ostatnia nierówność może zajść jedynie, kiedy wyróżnik =4k2+8EM2 jest nieujemny, co jest równoważne z warunkiem, że 2E+k2M20.

6.2. Geometryczny opis trajektorii.

Przeskalowując φ możemy uzyskać opis trajektorii ruchu w postaci związku

±φ=arccosMr-kM2E+k2M2 (6.6)

Przekształcając równocześnie licznik i mianownik argumentu funkcji arccos

Mr-kM=kMM2kr-1oraz2E-k2M2=kM2EM2k2+1

i upraszczając, otrzymamy

±φ=arccosM2kr-12EM2k2+1 (6.7)

Uproszczenie kM z kM w przypadku ujemnej wartości kM zmienia znak argumentu arccos. Ponieważ arccos-a=π-arccosa, uzyskujemy (6.7) po następnym przeskalowaniu i zmianie zwrotu na osi φ.

Wprowadźmy oznaczenia

M2k=poraz2EM2k2+1=e

otrzymamy

±φ=arccospr-1e (6.8)

skąd, z uwagi na parzystość funkcji cos

cosφ=pr-1e (6.9)

lub inaczej

r=p1+ecosφ (6.10)

Zauważmy ( porównaj wyjaśnienie kończące punkt 6.1), że 2EM2k2+10 i dla E>0 otrzymamy e>1 natomiast dla E<0 jest e<1.

Stwierdzenie 6.1

Zbiór punktów płaszczyzny, których współrzędne r,φ spełniają związek (6.10) może być również zdefiniowany następującym warunkiem geometrycznym.

Warunek.
Stosunek odległości punktu od zera do odległości punktu od prostej x=pe (prostą tę nazywamy kierownicą) jest stały i wynosi e.

Dla punktu a na płaszczyźnie jego odległość od zera wynosi r natomiast odległość od kierownicy wynonosi pr-rcosφ, zatem nasz warunek brzmi:

rpe-rcosφ=e,

co po łatwych przekształceniach prowadzi do (6.10).

Specjalne położenie krzywej opisanej równaniem (6.10) w stosunku do kartezjańskiego układu współrzędnych, jest związane z dokonanym (implicite) obrotem układu współrzędnych, który nastąpił przy afinicznym przekształcaniu kąta φ wykonanym przy całkowaniu funkcji (6.6).

Dalsza część naszych rozważań dotyczy geometrycznej definicji stożkowych i jest z konieczności nieco szkicowa. Jej celem jest pokazanie w przypadku elips równoważności następującej dalej definicji geometrycznej (6.7), opisu (6.10) i opisu za pomocą równania osiowego dla elips.

Rozważmy stożek S w przestrzeni R3 z wierzchołkiem W i osią s (zob. rys 6.2 (A).

Brak opisu

Przekrójmy stożek S płaszczyzną L. Niech θ będzie połową kąta rozwarcia stożka a φ kątem, jaki tworzy płaszczyzna L z osią stożka s.

Definicja 6.1

Krzywą przecięcia stożka z płaszczyzną nazwiemy

(a) elipsą, jeżeli θ<φ

(b) parabolą, jeżeli θ=φ

(c) hiperbolą, jeżeli θ>φ.

Stwierdzenie 6.2

Niech A=LS będzie elipsą w sensie Definicji 6.1, wyznaczoną przez płaszczyznę L. Istnieją na płaszczyźnie L punkt F1 i prosta k takie, że dla dowolnego PA zachodzi

P-F1ρP,k=cosθcosφ<1

gdzie θ i φ są kątami, jak w Definicji 6.1 a ρ (P, k) jest odległością punktu P od prostej k.

Określimy najpierw punkt F1 i prostą k. Niech K1 i K2 będą kulami stycznymi do stożka i do płaszczyzny L (zob. rys. 6.2 (B)). Jako punkt F1 przyjmiemy punkt K1L a jako prostą k przecięcie L z płaszczyzną W zawierającą K1S i prostopadłą do osi stożka s. Poprowadźmy płaszczyznę R (płaszczyzna rysunku 6.2(C))przez oś stożka S i dowolny ustalony punkt P, leżący na elipsie LS. Niech q będzie tworzącą stożka, przechodzącą przez P i niech M=qW. Niech wreszcie D będzie punktem na kierownicy k najbliższym P. Wtedy rzuty prostopadłe odcinków PD i PM na oś stożka są takie same. Istotnie, D i M leżą na płaszczyźnie Ł prostopadłej do osi. Poza tym PD tworzy z osią s kąt φ a odcinek PM kąt θ a długości odcinków PF1 i PM są równe. Zatem

PF1PD=PMPD=acosφacosθ=cosθcosφ.
Stwierdzenie 6.3

Dla danej prostej k i danego punktu F na płaszczyźnie zbiór punktów zdefiniowany warunkiem P:P-FρP,k=e<1 jest izometryczny z elipsą w sensie Definicji 6.1.

(Szkic ).

Prowadząc przez F prostą prostopadłą do k możemy znaleźć na niej punkt Q tak, że Q-FQ-D=e<1 (D jest przecięciem k z prostą prostopadłą). Następnie rozpatrując przecięcie stożka płaszczyzną zawierającą oś stożka oraz punkty styczności kul K1 i K2 z L oraz rozpatrując rodzinę płaszczyzn równoległych, dla których cosθcosφ=e , znajdujemy elipsę, o której należy pokazać, że jest izometryczna z naszą elipsą.

6.3. Prawa Keplera

Około 1609 roku J. Kepler sformułował trzy prawa dotyczące ruchu planet wokół Słońca. Podamy ich współczesne sformułowanie.

I. Planety krążą wokół Słońca po elipsach, w których ognisku znajduje się Słońce.

II. W ruchu każdej planety prędkość polowa w płaszczyźnie ruchu pozostaje stała.

III. Dla dowolnych dwóch planet stosunek drugiej potęgi ich okresów obiegu jest równy stosunkowi trzecich potęg długości ich długich półosi.

Prawo pierwsze pokazaliśmy w poprzednim punkcie.

Prawo drugie jest prawdziwe dla dowolnego ruchu w polu centralnym.

Pokażemy, że zachodzi trzecie prawo Keplera.

Dowód trzeciego prawa Keplera.

Nietrudne, lecz kłopotliwe rachunki pozwalają przekonać się, że krzywa opisana w układzie biegunowym równaniem r=p1+ecosφ w układzie kartezjańskim ze środkiem w punkcie -pe1-e2,0 jest przedstawiona równaniem

x2a2+y2b2=1, gdzie a=p1-e2,b=p1-e2 są długościami wielkiej i małej półosi.

Niech T będzie okresem obiegu po takiej eliptycznej orbicie. Ze stałości prędkości polowej St mamy TdSdt=12TM=πab i podstawiając tu wartości na a i b otrzymamy:

TM=2πp21-e232

Podstawiając tu p=M2k i e=1+2EM2k2 otrzymamy

TM=2πM4k2k22EM232=π2Mk2E32=π2Mkk2E32. (6.11)

Zauważmy teraz, że

a=p1-e2=M2kk22EM2=k2E

wobec tego otrzymujemy

T2=π21ka3.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.