19012

Движение в кулоновском поле притяжения (задача Кеплера). Классификация орбит при финитном и инфинитном движении

Лекция

Физика

Лекция 10. Движение в кулоновском поле притяжения задача Кеплера. Классификация орбит при финитном и инфинитном движении В предыдущей лекции мы выяснили при каких значениях энергии движение будет инфинитным финитным а так же определили условия при которых траект

Русский

2013-07-11

281 KB

23 чел.

Лекция 10. Движение в кулоновском поле притяжения (задача Кеплера). Классификация орбит при финитном и инфинитном движении

В предыдущей лекции мы выяснили, при каких значениях энергии  движение будет инфинитным, финитным, а так же определили условия, при которых траектория финитного движения будет окружностью. Мы вычислили скорость вращения при заданном начальном расстоянии от центра . Теперь, проведя общее исследование возможных особенностей движения, получим уравнения траекторий движения частицы в поле притяжения  . Получим уравнения возможных траекторий частицы.

Будем использовать полученное ранее выражение для зависимости , которое фактически уже определяет траекторию движения в неявном виде. Напомним, что

   (1)

Для определения вида траектории (а не самого закона движения), совершенно не важен выбор знака перед интегралом в формуле (1). Кроме того, в астрономии принято выбирать  так, чтобы в начальный момент времени, тело находилось на наименьшем расстоянии от центра, т.е. в перигелии орбиты. С учетом сказанного, выражение (1) для нашей конкретной задачи,  можно записать в виде:

.             (2)

Используя выражения для параметра и эксцентриситета, введенные в предыдущей лекции, получим:

   (3)

Здесь, как и ранее,  - безразмерное расстояние до центра поля и . Осуществляя в (3) замену переменной интегрирования: , , приводим интеграл к табличному виду:

.

Поэтому получаем:

.

Легко видеть, что второе слагаемое равно нулю. Поэтому:

     (4)

Откуда

     (5)

Это и есть уравнение семейства траекторий в поле притяжения  в полярных координатах.

Теперь приступим к анализу выражения (5) для различных значений энергии частицы . Проведем анализ различных траекторий движения в задаче Кеплера, записав уравнение (9.6)

,                                            (6)

в обычных декартовых координатах. Учитывая, что ,  запишем , т.е.

    (7)

Это и есть уравнение траекторий в декартовых координатах.

Рассмотрим сначала случай финитного движения, когда энергия отрицательна: . В этом случае эксцентриситет орбиты . Перепишем уравнение (7) в виде

    (8)

Далее

.

Отсюда видно, что уравнение траектории при финитном движении принимает канонический вид:

     (9)

Это есть уравнение эллипса с полуосями  и  с началом координат в точке :

.      .        (10)

Поскольку , то . Большую полуось эллипса можно было сразу определить из уравнения: . Отсюда получаем, что

    (11)

Таким образом, большая полуось эллипса зависит только от энергии частицы. При  получаем уравнение окружности с радиусом .

Таблица 9.1

В таблице 9.1 приведены значения нескольких характерных точек траектории при финитном движении, рассчитанные по полученным выше формулам.

На рис.1 представлены орбиты движения частицы в поле  притяжения   при финитном движении для различных значений эксцентриситета , рассчитанные по формуле (9) в приведенных единицах . Видно, что все орбиты имеют две общие точки  при , когда .

Рис.1 Орбиты при финитном движении частицы при различных

эксцентриситетах орбиты

Чтобы вычислить время обращения по эллиптической орбите, т.е. период обращения  воспользуемся законом сохранения момента импульса:

,

где  - площадь сектора орбиты. Интегрируя это равенство по , получим, что , где - площадь эллиптической орбиты: . Подставляя сюда значения  и  из (9.17), будем иметь:

   (12)

Заметим, что период зависит только от энергии частицы.

Теперь рассмотрим случай инфинитного движения, когда энергия положительна: . В этом случае эксцентриситет орбиты .

Рассмотрим сначала самый простой случай, когда энергия частицы , т.е. . В этом случае уравнение (7) принимает вид:

,           (13)

Уравнение (13) есть уравнение параболы в области  (красная кривая на рисунке 2.

Если , т.е. , то уравнение траектории в декартовых координатах будет иметь вид:

    (14)

Здесь

,      ,       (15)

Уравнение (15) есть уравнение гиперболы, с «полуосью» .

На рис.2 представлены орбиты движения частицы в поле притяжения   при инфинитном движении для различных значений эксцентриситета в приведенных единицах .

Рис.9.2 Орбиты при инфинитном движении частицы

при различных эксцентриситетах орбиты.

При  () траекториями движения являются гиперболы, огибающие центр поля (фокус) – черная и синяя кривые. При  значение  и траекторией движения является парабола – красная кривая. Видно, что, как и при финитном движении, все орбиты имеют две общие точки  при , когда .

2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11121. Професія скляр 38 KB
  СКЛЯР Зміст праці. Скляр має справу з особливим матеріалом склом. Скло це твердий прозорий тендітний матеріал виготовлений з чистого кварцового піску соди і вапняку. Шибки роблять за допомогою машин: розплавлену масу видавлюють через вузьку подовжню щілину нап...
11122. Професія слюсар 34.5 KB
  СЛЮСАР Слюсар дуже розповсюджена і багатопланова професія. Існує широкий спектр слюсарних робіт отже слюсарі мають спеціалізацію в якомусь конкретному виді виконуваних робіт. Робота слюсаря необхідна на всіх етапах створення експлуатації і ремонту різноманітн...
11123. Професія тесля 32 KB
  ТЕСЛЯ Зміст праці. Предметом праці теслі є деревина як будівельний матеріал. Зміст праці теслі дуже різноманітний. Вони зводять різні деревяні конструкції розповсюджені в сільському господарстві задіяні в будівництві міських споруджень і заміських будинків. Теслі...
11124. Задачи и метод сопротивления материалов. Растяжение и сжатие 977 KB
  Задачи и метод сопротивления материалов. Растяжение и сжатие. Общие понятия. Возведение сооружений и строительство машин которые далее будем называть конструкциями начинается с составления проекта в котором определяют форму размеры и материал конструкции. Каждая
11125. Геометрические характеристики плоских сечений. Статические моменты площади. Центр тяжести площади 1.28 MB
  Геометрические характеристики плоских сечений. Основным объектом изучаемым в курсе сопротивление материалов является стержень. Сопротивление стержня различным видам деформации часто зависит не только от его материалов и размеров но и от очертаний оси формы попер...
11126. Основы теории напряженного состояния 1.08 MB
  Основы теории напряженного состояния. Напряжения в точке. Если мысленно вырезать вокруг какойнибудь точки тела элемент в виде бесконечного малого кубика то по его граням в общем случае будут действовать напряжения представленные на рис. 3.1. Совокупность нормальных...
11127. Теории прочности. Чистый сдвиг 786 KB
  Теории прочности. Чистый сдвиг Теории прочности. Важнейшей задачей инженерного расчета является оценка прочности элемента конструкции по известному напряженному состоянию. Для простых видов деформаций в частности для одноосных напряженных состояний определение з...
11128. Кручение. Кручение бруса некруглого сечения 911.5 KB
  Кручение. Кручение бруса некруглого сечения. Кручение прямого круглого бруса. Деформация кручения вызывается парами сил плоскости действия которых перпендикулярны к оси стержня. Поэтому при кручении в произвольном поперечном сечении стержня из шести внутренних сил
11129. Чистый изгиб. Поперечный изгиб 623 KB
  Чистый изгиб. Поперечный изгиб. Общие понятия. Деформация изгиба заключается в искривлении оси прямого стержня или в изменении начальной кривизны прямого стержня рис. 6.1. Ознакомимся с основными понятиями которые используются при рассмотрении деформации изгиба. С