<< 3.10. Osnovy nebesnoi mehaniki | Oglavlenie | 3.10.2. Parametry i anomalii >>
3.10.1. Zakony Keplera
Dlya opredeleniya sistemy koordinat neobhodimo snachala opredelit' ploskost', zatem v ploskosti opredelit' napravlenie na vydelennuyu tochku. Togda s edinichnym vektorom , napravlennym v etu tochku, mozhno svyazat' os' , s perpendikulyarom k ploskosti -- edinichnyi vektor i os' ; edinichnyi vektor (os' sistemy koordinat) opredelyaetsya na osnove vektornogo proizvedeniya tak, chtoby sistema osei byla pravoi ( ).
Rassmotrim vopros, kak v prostranstve opredelit' etu ploskost' i osi, lezhashie v ploskosti.
V osnove dinamicheskogo metoda opredeleniya sistemy koordinat lezhat uravneniya dinamiki -- i v pervuyu ochered' zakon prityazheniya N'yutona. Soglasno etomu zakonu dva tela s massami i prityagivayutsya s siloi , gde -- rasstoyanie mezhdu telami. Koefficient nazyvaetsya postoyannoi tyagoteniya. Esli tela raspolozheny v tochkah i s dekartovymi koordinatami i , sootvetstvenno, to dvizhenie tela s massoi opisyvaetsya uravneniyami:
tochkami oboznacheno differencirovanie po vremeni: i t.d. Pod deistviem toi zhe sily, no protivopolozhnogo znaka, telo s massoi dvizhetsya soglasno uravneniyam:
Vvedem oboznacheniya: , , , . Vychitaya iz uravnenii (3.28) uravneniya (3.29), poluchim
V uravneniya (3.30-3.32) vhodyat lish' otnositel'nye koordinaty dvuh tochek, t.e. uravneniya dvizheniya ne zavisyat ot polozheniya nachala sistemy koordinat. Umnozhaya uravnenie (3.30) na , a uravnenie (3.31) na , i zatem vychitaya iz pervogo uravneniya vtoroe, poluchim
Iz (3.33) sleduet, chto velichina v skobkah ne zavisit ot vremeni, t.e.
Analogichnym obrazom iz uravnenii (3.31),(3.32) poluchim vyrazhenie:
a iz (3.30) i (3.32):
Uravneniya (3.34-3.36) nazyvayutsya integralami ploshadei, a postoyannye -- postoyannymi ploshadei.
Umnozhaya uravnenie (3.34) na , (3.35) -- na , (3.36) -- na i skladyvaya, nahodim, chto
Uravnenie (3.37) -- eto uravnenie ploskosti. Znachit, dva tela, dvizhushiesya v prostranstve pod deistviem sily prityazheniya, vsegda nahodyatsya v odnoi i toi zhe ploskosti; traektoriya tela 2 otnositel'no tela 1 yavlyaetsya ploskoi krivoi i nazyvaetsya orbitoi. Drugimi slovami orbita odnogo tela otnositel'no drugogo lezhit v ploskosti.
Raspolozhim osi sistemy koordinat, kotoruyu my hotim opredelit' v ploskosti orbity, a os' budet perpendikulyarna ei. Tochku (nachalo sistemy koordinat) sovmestim s telom s massoi . Togda uravneniya dvizheniya (3.30-3.32) mozhno zapisat' v vide:
gde -- vektor, napravlennyi ot tela 1 k telu 2. Umnozhaya vektorno (3.38) na sleva, poluchim
gde --ne zavisyashii ot vremeni vektor. Vektor nazyvaetsya vektorom uglovogo momenta, i soglasno opredeleniyu vektornogo proizvedeniya on perpendikulyaren ploskosti orbity, v kotoroi lezhat i radius-vektor , i vektor skorosti . Uravnenie (3.39) ekvivalentno uravneniyu (3.37): postoyannye predstavlyayut soboi proekcii na osi inercial'noi sistemy koordinat.
Umnozhim teper' uravneniya (3.30-3.32) sootvetstvenno na , , i slozhim. Koordinaty yavlyayutsya koordinatami tela 2 otnositel'no tela 1. V rezul'tate poluchim sleduyushee uravnenie:
gde -- kvadrat skorosti tela 2, dvizhushegosya otnositel'no tela 1. Proizvol'naya postoyannaya v uravnenii (3.40) nazyvaetsya postoyannoi energii. Ona mozhet byt' velichinoi ravnoi nulyu, polozhitel'noi ili otricatel'noi. V nebesnoi mehanike dokazyvaetsya, chto ot velichiny postoyannoi energii zavisit tip orbity tela: pri orbita est' ellips, pri -- parabola i pri -- giperbola.
Tak kak orbita lezhit v ploskosti, i polozhenie tela 2 otnositel'no tela 1 opredelyaetsya lish' koordinatami , to udobno dlya dal'neishih vychislenii vvesti polyarnye koordinaty (ris. 3.12), tak chto
V polyarnoi sisteme koordinat vvedem dva edinichnyh vektora , prichem pervyi iz nih napravlen vdol' , a vtoroi--perpendikulyaren emu i napravlen v storonu uvelicheniya ugla . Togda
ili v vektornom vide
Sledovatel'no, v polyarnyh koordinatah uravnenie uglovogo momenta (3.39) imeet vid:
Dopustim, chto v moment telo 2 nahodilos' na rasstoyanii ot tela 1, a cherez promezhutok vremeni peremestilos' na ugol , prichem rasstoyanie stalo ravnyat'sya . Schitaya, chto promezhutok vremeni mal, mozhno schitat' dugu, po kotoroi dvizhetsya telo 2, pryamoi liniei. Togda ploshad' sektora, kotoryi obrazuyut dva radius-vektora i , budet blizok k ploshadi treugol'nika, ravnoi . Ustremlyaya k nulyu i delya na promezhutok vremeni , nahodim, chto ploshad' sektora, opisyvaemaya telom ravna . Sledovatel'no, na osnove uravneniya (3.42) mozhno utverzhdat', chto za odinakovye promezhutki vremeni radius-vektor opisyvaet ravnye ploshadi, prichem velichina uglovogo momenta ravna udvoennoi ploshadi sektora. Eto -- vtoroi zakon Keplera.
Zapishem teper' uravnenie (3.38) v polyarnyh koordinatah. Tak kak proizvodnaya uzhe naidena (3.41), to
Edinichnye vektory , menyayut napravlenie so vremenem, poetomu menyayutsya ih proekcii na osi . Sledovatel'no, proizvodnye , ne ravny nulyu. Chtoby ih vychislit', naidem proizvodnuyu edinichnogo vektora po uglu (ris. 3.12). Tak kak
Polagaya, chto , zapishem uravnenie (3.38) v polyarnyh koordinatah v sleduyushem vide:
Differencial'nye uravneniya (3.42) i (3.44) opisyvayut zavisimost' rasstoyaniya odnogo tela otnositel'no drugogo i ugla ot vremeni. Dlya resheniya etih uravnenii obychno isklyuchayut vremya iz (3.44) s pomosh'yu (3.42). Dlya udobstva vvedem parametr , tak chto
Reshenie differencial'nogo uravneniya vtorogo poryadka (3.45) zapisyvaetsya v vide:
Uravnenie (3.46) yavlyaetsya uravneniem konicheskih sechenii. Vid orbity zavisit ot parametra -- ekscentrisiteta orbity. Esli , to traektoriya yavlyaetsya ellipsom, esli , to -- paraboloi, esli , to -- giperboloi. Vid orbity mozhno opredelit' takzhe po velichine postoyannoi energii v uravnenii (3.40), kotoraya zavisit ot skorosti i radiusa-vektora tela. Poetomu udobno svyazat' vid orbity s nachal'nymi parametrami i :
Ogranichimsya seichas sluchaem, kogda . V etom sluchae uravnenie (3.46) yavlyaetsya matematicheskoi formoi pervogo zakona Keplera.
Esli telo s massoi nazvat' Solncem, drugoe telo -- planetoi, to pervyi zakon Keplera formuliruetsya sleduyushim obrazom: planeta dvizhetsya po ellipsu, v odnom iz fokusov kotorogo nahoditsya Solnce. Parametr nazyvaetsya parametrom ellipsa i svyazan s bol'shoi poluos'yu ellipsa formuloi: . Malaya poluos' mozhet byt' vyrazhena cherez i : (ris. 3.13). Na ris. 3.13 Solnce nahoditsya v tochke , planeta -- v tochke , os' napravlena v tochku voshodyashego uzla orbity, a os' -- v tochku orbity, blizhaishei k Solncu, kotoraya nazyvaetsya perigeliem. Ugol nazyvaetsya dolgotoi perigeliya.
Esli oboznachit' period obrasheniya planety kak , to soglasno vtoromu zakonu Keplera za vremya planeta opishet polnyi ellips, ploshad' kotorogo ravna . Otnoshenie ploshadi ellipsa k periodu obrasheniya ravno polovine uglovogo momenta planety, t.e.
Tak kak , to . Isklyuchaya iz (3.48), nahodim:
V sluchae, kogda na tela 1 i 2 ne deistvuyut sily prityazheniya drugih tel (v nebesnoi mehanike eta zadacha tak i nazyvaetsya zadachei dvuh tel), period obrasheniya est' velichina postoyannaya i mozhet sluzhit' edinicei vremeni. V nachale XX veka na osnove nablyudenii Solnca i Luny formirovalas' shkala efemeridnogo vremeni (Ephemeris Time, ET). Tak kak iz-za vozmushenii orbity drugimi telami period obrasheniya menyaetsya, dlya postroeniya shkaly ET neobhodimy byli dlitel'nye nablyudeniya. Iz-za slozhnosti postroeniya etoi shkaly, a takzhe iz-za poyavleniya v seredine 50-h godov XX veka atomnyh standartov chastoty ot shkaly vremeni, osnovannoi na obrashenii Zemli vokrug Solnca, prishlos' otkazat'sya. V nastoyashee vremya v osnove scheta vremeni lezhit atomnaya shkala vremeni TAI, odnako samoi stabil'noi na bol'shih intervalah vremeni mozhet okazat'sya pul'sarnaya shkala vremeni, prichem pul'sar yavlyaetsya odnoi iz zvezd v dvoinoi sisteme.
Oboznachim cherez srednyuyu skorost' dvizheniya planety:
V nebesnoi mehanike parametr nazyvaetsya srednim dvizheniem. Esli massu Solnca oboznachit' kak , massu planety -- kak , prichem period obrasheniya i bol'shaya poluos' ravny i , to
Analogichnoe uravnenie mozhno napisat' dlya drugoi planety s massoi , periodom obrasheniya i bol'shoi poluos'yu :
Uravnenie (3.51) yavlyaetsya matematicheskoi zapis'yu tret'ego zakona Keplera. Tak kak dlya samoi massivnoi planety v solnechnoi sisteme -- Yupitera otnoshenie , to velichina v levoi chasti (3.51) otlichaetsya ot edinicy v tret'em znake. Sledovatel'no, s tochnost'yu do imeem
Kvadraty periodov obrasheniya planet otnosyatsya kak kuby ih bol'shih poluosei. Opredelyaya bol'shuyu poluos' dlya Zemli kak 1 astronomicheskuyu edinicu (1 a.e.) (eto -- nepravil'noe opredelenie astronomicheskoi edinicy; sm. glavu 8) i kak 1 god, to, izmeryaya period obrasheniya kakoi libo planety (v godah), mozhno zapisat' tretii zakon Keplera v forme:
<< 3.10. Osnovy nebesnoi mehaniki | Oglavlenie | 3.10.2. Parametry i anomalii >>
Publikacii s klyuchevymi slovami:
astrometriya - sfericheskaya astronomiya - sistemy koordinat - shkaly vremeni
Publikacii so slovami: astrometriya - sfericheskaya astronomiya - sistemy koordinat - shkaly vremeni | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> |