Уравнения движения планет. Решение задачи Кеплера в пакете Mathcad

В качестве отправной точки решения задачи Кеплера рассмотрим движение двух тел, взаимодействующих друг с другом, считая их при этом материальными точками. Функция Лагранжа такой системы имеет вид

где

- радиус-векторы первого и второго тела, соответственно,

- потенциальная взаимодействия тел, g - гравитационная постоянная. Введем вектор, направленный от первого тела ко второму телу

Тогда в системе отсчета с началом координат в центре масс рассматриваемой системы тел

Величину, определяемую в соответствии с (7), принято называть приведенной массой. Функция (6) формально совпадает с функцией Лагранжа одной материальной точки с массой m, движущейся в потенциале

, симметричном относительно начала выбранной системы отсчета. Таким образом, задача о движении двух взаимодействующих тел сводится к задаче о движении одного тела с массой m в заданном внешнем поле

, создаваемом неподвижным центром с массой m₁+m₂. Отметим, что если масса одного из взаимодействующих тел значительно меньше массы другого тела, последнее можно рассматривать как неподвижный притягивающий центр, и найденная зависимость

будет описывать траекторию движения более легкого тела.

В противном случае, решив задачу о движении тела с массой m в потенциале

по зависимости

, в соответствии с (4), (5) находят траектории каждой частицы

Воспользовавшись уравнениями Лагранжа (здесь обобщенными координатами являются координаты радиус-вектора, обобщенными скоростями - координаты вектора

)

в полном соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона.

Отметим два важных свойства силы тяготения, вытекающих из (10):

1) сила зависит только от расстояния между телами;

2) сила направлена по прямой, проходящей через центры взаимодействующих тел.

Такие силы называются центральными. Можно показать ([1]), что следствием указанных свойств является сохранение момента импульса тела

Сохранение момента импульса, в свою очередь, означает, что траектория движения тела в центральном поле лежит в плоскости, которой перпендикулярен вектор

. Кроме того, движение тела ограничивается условиями сохранения полной энергии

Для решения уравнений движения выберем прямоугольную систему координат, начало которой находится в центре масс (рис.1).

(Отметим, что в отличие от аналитического решения, наиболее просто получаемого в цилиндрической системе координат, численное решение задачи Кеплера более удобно проводить в декартовой системе координат). Уравнения движения (9) в выбранной системе координат имеют следующий вид:

Введя обозначение

и сократив общие множители, запишем выражения (13), (14), составляющие систему ДУ второго порядка, в виде

Предваряя численное решение системы уравнений (15), (16), проведем обезразмеривание этих уравнений. Если в качестве единиц измерения расстояния и времени выбрать радиус орбиты R и период обращения Т, соответствующие движению тела по окружности, то можно ввести безразмерные переменные

. Выполнив в (15), (16) замену переменных x® X, y® Y, t® t , получаем:

Как известно, при движении тела по окружности величина центростремительного ускорения а связана с радиусом круговой орбиты

и скоростью тела

соотношением

При движении в гравитационном поле по окружности центростремительное ускорение обусловлено гравитационной силой. Следовательно,

Выражение (21), являясь общим условием любой круговой орбиты, позволяет найти зависимость периода движения от радиуса орбиты. Период движения

поэтому, подставив в (22) выражение (21), получим

Подставляя выражение (23) в (17), (18), получаем окончательно обезразмеренную систему уравнений

Из уравнений (24), (25) видна их универсальность - они не зависят ни от периода обращения тела вокруг центра поля, ни от радиуса орбиты. Следовательно, величина

, входящая в (17) и (18), одинакова для всех тел, совершающих движение в гравитационном поле по замкнутым траекториям, что является доказательством справедливости третьего закона Кеплера.

При решении системы дифференциальных уравнений будем считать, что в начальный момент времени тело находилось в точке с радиус-вектором

, скорость тела была направлена вертикально вверх,

(рис. 2). Так как система уравнений (24), (25) является безразмерной, необходимо также привести к безразмерному виду начальные условия. Выполнив, как и выше, замену переменных

, приводим начальные условия к следующему виду:

Однако использовать конкретные числовые значения R, T, M для проверки законов Кеплера не требуется, так как безразмерные начальные условия также обладают известным универсализмом. Для того чтобы это показать, найдем безразмерную скорость тела, движущегося в гравитационном поле по окружности. Подставив (21), (23) в (27), получаем

Следовательно, для получения орбит, отличных от круговых, достаточно задавать значения начальной скорости, отличные от 2p.

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.