כבידה · פיתוח 12

חוק ראשון של קפלר

זמן יעד: 5:20 ⏱ ניסיון חדש

ניסוח מלא

נתונות שתי מסות M\gg m עם אינטראקציה כבידתית ביניהן. הראו שהמסלול של m סביב M נתון על ידי r\left(\theta\right)=\frac{l}{1+\varepsilon\cos\theta} כאשר l=\frac{L^{2}}{GMm^{2}} ו-\varepsilon=\sqrt{1+\frac{2EL^{2}}{G^{2}M^{2}m^{3}}} היא האקסצנטריות.

פתרון

כוח הכבידה רדיאלי ומשמר ולכן התנ"ז סביב M והאנרגיה נשמרים. נכתוב את משוואות שימור האנרגיה ושימור התנע הזוויתי, ונציב את התנ"ז לתוך האנרגיה כדי לקבל פוטנציאל אפקטיבי חד מימדי:
L=mr^{2}\dot{\theta}
E=\frac{1}{2}mv^{2}-\frac{GMm}{r}=\frac{1}{2}m\dot{r}^{2}+\frac{1}{2}mr^{2}\dot{\theta}^{2}-\frac{GMm}{r}=\frac{1}{2}m\dot{r}^{2}+\frac{L^{2}}{2mr^{2}}-\frac{GMm}{r}
אנחנו מעוניינים במסלול r\left(\theta\right) ולא ב-r\left(t\right) ולכן נרצה להחליף את הנגזרות בזמן בנגזרות לפי \theta. נסמן \frac{dr}{d\theta}=r'.
r'=\frac{dr}{dt}\cdot\frac{dt}{d\theta}=\frac{\dot{r}}{\dot{\theta}}=\dot{r}\cdot\frac{mr^{2}}{L}
E=\frac{1}{2}mr'^{2}\cdot\left(\frac{L}{mr^{2}}\right)^{2}+\frac{L^{2}}{2mr^{2}}-\frac{GMm}{r}=\frac{L^{2}}{2m}\left(\frac{r'^{2}}{r^{4}}+\frac{1}{r^{2}}-\frac{2GMm^{2}}{L^{2}}\frac{1}{r}\right)
נציב u=\frac{1}{r}:
u'=-\frac{1}{r^{2}}r'
\frac{2mE}{L^{2}}=u'^{2}+u^{2}-\frac{2GMm^{2}}{L^{2}}u=u'^{2}+\left(u-\frac{GMm^{2}}{L^{2}}\right)^{2}-\frac{G^{2}M^{2}m^{4}}{L^{4}}
u'^{2}+\left(u-\frac{GMm^{2}}{L^{2}}\right)^{2}=\frac{2mE}{L^{2}}+\frac{G^{2}M^{2}m^{4}}{L^{4}}=\const
זה פשוט אוסילטור הרמוני, כלומר הפתרון הוא:
u\left(\theta\right)=\sqrt{\left(\frac{2mE}{L^{2}}+\frac{G^{2}M^{2}m^{4}}{L^{4}}\right)}\cos\left(\theta+\phi\right)+\frac{GMm^{2}}{L^{2}}=\frac{GMm^{2}}{L^{2}}\left(\sqrt{1+\frac{2EL^{2}}{G^{2}M^{2}m^{3}}}\cos\left(\theta+\phi\right)+1\right)
נגדיר את האקסצנטריות \varepsilon=\sqrt{1+\frac{2EL^{2}}{G^{2}M^{2}m^{3}}} ו- l=\frac{L^{2}}{GMm^{2}}. לכן:
r\left(\theta\right)=\frac{1}{u\left(\theta\right)}=\frac{l}{1+\varepsilon\cos\left(\theta+\phi\right)}
נוכל לבחור את מערכת הצירים בהתאם כך ש-\phi=0.
הערה: עבור שתי מסות כלליות M_{1},M_{2} נוכל לעבוד במערכת מרכז המסה ובעזרת מסה מצומצמת לצמצם את הבעיה המקורית לבעיה הזו עבור \vec{r}_{rel} אם נחליף את m ב-\mu=\frac{M_{1}M_{2}}{M_{1}+M_{2}}. בנוסף כדי שהכוח ביניהם יישאר זהה נצטרך לקחת את המסה המקובעת להיות M=M_{1}+M_{2}.

ניסיונות וטבלת שיאים

אף אחד עוד לא פתר את הפיתוח הזה.

אין עדיין ניסיונות.