
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:


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



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

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




gde






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





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
















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





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





Analogichnoe uravnenie mozhno napisat' dlya drugoi planety s massoi




Uravnenie (3.51) yavlyaetsya matematicheskoi zapis'yu tret'ego zakona Keplera. Tak kak dlya samoi massivnoi planety v solnechnoi sisteme -- Yupitera otnoshenie



Kvadraty periodov obrasheniya planet otnosyatsya kak kuby ih bol'shih poluosei. Opredelyaya bol'shuyu poluos'




<< 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 >> |