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
  
    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
  
    Wykres tego potencjału ma postać:
   
  
  
    Ze Stwierdzenia 5.5  wiemy, że stała energia całkowita wynosi E=mr˙22+Wr  a więc
   
  
  
    Z (6.1) wynika, że dla jakiegokolwiek ruchu musi być r˙t2≥0, a zatem E≥Wr. Kształt wykresu Wr pokazuje, że ostatni warunek przy E≥0 zachodzi dla r stanowiących półoś  rmin,+∞, natomiast E<0 zachodzi dla r z przedziałem  rmin,rmax.
   
  
    Wyprzedzając ilościowy opis, który nastąpi, powiemy, że dla E≥0 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
  
    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=±m∫r0rMdrr22E+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:
   
  
  
    gdzie Br=ddrAr a C jest stałą ujemną.
   
  
    Ponieważ arccoss′=-11-s2 otrzymamy w rezultacie
   
  
  
    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
  
    otrzymamy
  
    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+k2M2≥0, co uniemożliwia napisanie potrzebnych formuł.
Jeżeli E≥0 sprawa jest oczywista. Jeżeli E<0, to z (6.1) wynika, że
  
    a więc 2Er2+2kr-M2≥0.
W przypadku E<0 ostatnia nierówność może zajść jedynie, kiedy wyróżnik △=4k2+8EM2 jest nieujemny, co jest równoważne z warunkiem, że 2E+k2M2≥0.
   
     
  
    
    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
  
    otrzymamy
   
  
  
    skąd, z uwagi na parzystość funkcji cos
   
  
  
  
  
    Zauważmy ( porównaj wyjaśnienie kończące punkt 6.1), że 2EM2k2+1≥0 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:
  
    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).
   
  
  
    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=L∩S będzie elipsą w sensie Definicji 6.1, wyznaczoną przez płaszczyznę L. Istnieją na płaszczyźnie L punkt F1 i prosta k takie, że dla dowolnego P∈A zachodzi
  
    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  K1∩L a jako prostą k przecięcie L z płaszczyzną W zawierającą K1∩S 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 L∩S. Niech q będzie tworzącą stożka, przechodzącą przez P i niech M=q∩W. 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 T⋅dSdt=12T⋅M=πab   i podstawiając tu wartości na a i b otrzymamy:
  
    Podstawiając tu p=M2k  i    e=1+2EM2k2 otrzymamy
   
  
      
      
	
	|  | TM=2πM4k2⋅k22EM232=π2Mk2E32=π2⋅Mkk2E32. |  | (6.11) | 
      
      
    Zauważmy teraz, że
  
      
      
	
	|  | a=p1-e2=M2k⋅k22EM2=k2E |  | 
      
      
    wobec tego otrzymujemy