กฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของเค็พเพลอร์

จาก testwiki
ไปยังการนำทาง ไปยังการค้นหา
ภาพแสดงกฎ 3 ข้อของเค็พเพลอร์ที่มีวงโคจรดาวเคราะห์ 2 วง (1) วงโคจรเป็นวงรีด้วยจุดโฟกัส f1 และ f2 สำหรับดาวเคราะห์ดวงแรกและ f1 และ f3 สำหรับดาวเคราะห์ดวงที่ 2 ดวงอาทิตย์อยู่ที่จุด f1 (2) ส่วนแรเงา 2 ส่วน A1 และ A2 มีผิวพื้นเท่ากันและเวลาที่ดาวเคราะห์ 1 ทับพื้นที่ A1 เท่ากับเวลาที่ทับพื้นที่ A2 (3) เวลารวมของวงโคจรสำหรับดาวเคราะห์ 1 และดาวเคราะห์ 2 มีสัดส่วนเท่ากับ a13/2:a23/2

กฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของเค็พเพลอร์ (แม่แบบ:Langx) คือ กฎทางคณิตศาสตร์ 3 ข้อที่กล่าวถึงการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ นักคณิตศาสตร์และนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อ โยฮันเนิส เค็พเพลอร์ (พ.ศ. 2114–2173) เป็นผู้ค้นพบ

เค็พเพลอร์ ได้ศึกษาการสังเกตการณ์ของนักดาราศาสตร์ผู้มีชื่อเสียงชาวเดนมาร์ก ชื่อทือโก ปราเออ โดยประมาณ พ.ศ. 2148 เค็พเพลอร์พบว่าการสังเกตตำแหน่งของดาวเคราะห์ของบราห์เป็นไปตามกฎง่าย ๆ ทางคณิตศาสตร์

กฎของเค็พเพลอร์ท้าทายดาราศาสตร์สายอริสโตเติลและสายทอเลมีและกฎทางฟิสิกส์ในขณะนั้น เค็พเพลอร์ยืนยันว่าโลกเคลื่อนที่เป็นวงรีมากกว่าวงกลม และยังได้พิสูจน์ว่าความเร็วการเคลื่อนที่มีความผันแปรด้วย ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงความรู้ทางดาราศาสตร์และฟิสิกส์ อย่างไรก็ดี คำอธิบายเชิงฟิสิกส์เกี่ยวกับพฤติกรรมของดาวเคราะห์ก็ได้ปรากฏชัดเจนได้ในอีกเกือบศตวรรษต่อมา เมื่อไอแซก นิวตัน สามารถสรุปกฎของเค็พเพลอร์ได้ว่าเข้ากันกับกฎการเคลื่อนที่และกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันเองโดยใช้วิชาแคลคูลัสที่เขาคิดสร้างขึ้น รูปจำลองแบบอื่นที่นำมาใช้มักให้ผลผิดพลาด

กฎ 3 ข้อของเค็พเพลอร์

  1. วงโคจรของดาวเคราะห์ทุกดวงเป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์เป็นจุดศูนย์กลางจุดหนึ่ง วงรีเกิดจากการมีจุดศูนย์กลาง 2 ศูนย์ ดังภาพ ดังนั้นเค็พเพลอร์จึงคัดค้านความเชื่อในแนวของอริสโตเติล ปโตเลมีและโคเปอร์นิคัสที่ว่าวงโคจรเป็นวงกลม
  2. ในขณะที่ดาวเคราะห์เคลื่อนไปในวงโคจร เส้นตรงที่เชื่อมระหว่างดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์กวาดพื้นที่เท่า ๆ กันในระยะเวลาเท่ากัน ซึ่งหมายความว่าดาวเคราะห์โคจรเร็วกว่าเมื่ออยู่ใกล้ดวงอาทิตย์และช้าลงเมื่ออยู่ห่างดวงอาทิตย์ ด้วยกฎข้อนี้ เค็พเพลอร์ได้ล้มทฤษฎีดาราศาสตร์อริสโตเติลที่ว่าดาวเคราะห์เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่
  3. กำลังสองของคาบการโคจรของดาวเคราะห์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสามของกึ่งแกนเอก (ครึ่งหนึ่งของความยาววงรี) ของวงโคจร ซึ่งหมายความว่า ไม่เพียงแต่วงโคจรที่ใหญ่กว่าเท่านั้นที่มีระยะเวลานานกว่า แต่อัตราความเร็วของดาวเคราะห์ที่มีวงโคจรทีใหญ่กว่านั้นก็โคจรช้ากว่าวงโคจรที่เล็กกว่าอีกด้วย

กฎของเค็พเพลอร์ได้แสดงไว้ข้างล่าง และเป็นกฎที่มาจากกฎของนิวตันที่ใช้ระบบพิกัดเชิงขั้วศูนย์สุริยะ  (r,θ) อย่างไรก็ตาม กฎของเค็พเพลอร์ยังสามารถเขียนอย่างอื่นได้โดยใช้พิกัดคาร์ทีเซียน[1]

รายละเอียดทางคณิตศาสตร์

กฎข้อที่ 1

กฎเค็พเพลอร์ข้อที่ 1

กฎข้อแรกกล่าวว่า “วงโคจรของดาวเคราะห์ทุกดวงเป็นรูปวงรีที่มีดวงอาทิตย์เป็นจุดโฟกัสจุดหนึ่ง“

คณิตศาสตร์ของวงรีเป็นดังนี้

สมการคือ

r=p1+ϵcosθ

โดยที่ p คือ กึ่งเลตัสเรกตัม (semi latus rectum) และ ε คือ ความเยื้องศูนย์กลาง (eccentricity) ซึ่งมีค่ามากกว่าหรือเท่ากับศูนย์ และน้อยกว่าหนึ่ง

เมื่อ θ=0° ดาวเคราะห์จะอยู่ที่จุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด

rmin=p1+ϵ

เมื่อ θ=90°: r=p และเมื่อ θ=180° ดาวเคราห์จะอยู่ที่จุดไกลดวงอาทิตย์ที่สุด:

rmax=p1ϵ

กึ่งแกนเอกของวงรี a คือ มัชฌิมเลขคณิตของ rmin และ rmax:

a=p1ϵ2

กึ่งแกนโทของวงรี b คือ มัชฌิมเรขาคณิตของ rmin และ rmax:

b=p1ϵ2

นอกจากนี้ยังเป็นมัชฌิมเรขาคณิตระหว่างกึ่งแกนเอกกับกึ่งเลตัสเรกตัม

ab=bp

กฎข้อที่ 2

ภาพแสดงกฎเค็พเพลอร์ข้อที่ 2

กฎข้อที่ 2 “เส้นตรงที่เชื่อมระหว่างดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์ กวาดพื้นที่เท่า ๆ กันในระยะเวลาเท่ากัน” [2]

กฎนี้รู้จักในอีกชื่อหนึ่งที่ว่ากฎพื้นที่เท่า ซึ่งเป็นผลสืบเนื่องโดยตรงจากกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม โปรดดูการการอนุพัทธ์ดังภาพ

การคำนวณมี 4 ขั้นดังนี้

1. คำนวณ มุมกวาดเฉลี่ย (mean anomaly) M จากสูตร
M=2πtP
2. คำนวณ มุมกวาดเยื้องศูนย์กลาง eccentric anomaly E โดยการแก้ สมการของเค็พเพลอร์:
 M=EϵsinE
3. คำนวณ มุมกวาดจริง (true anomaly) θ โดยใช้สมการ:
tanθ2=1+ϵ1ϵtanE2
4. คำนวณ ระยะห่างศูนย์สุริยะ (heliocentric distance) r จากกฎข้อแรก:
r=p1+ϵcosθ

กฎข้อที่ 3

กฎข้อที่ 3 “กำลังสองของคาบการโคจรของดาวเคราะห์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสามของกึ่งแกนเอกของวงโคจร” ดังนั้น ไม่เพียงความยาววงโคจรจะเพิ่มด้วยระยะทางแล้ว ความเร็วของการโคจรจะลดลงด้วย การเพิ่มของระยะเวลาการโคจรจึงเป็นมากกว่าการเป็นสัดส่วน

P2a3
P = คาบการโคจรของดาวเคราะห์
a = แกนกึ่งเอกของวงโคจร

ดังนั้น P2a–3 มีค่าเหมือนกันสำหรับดาวเคราะห์ทุกดวงในระบบสุริยะรวมทั้งโลก เมื่อหน่วยหนึ่งถูกเลือก เช่น P ที่วัดเป็นปีดาราคติ และ a ในหน่วยดาราศาสตร์ P2a–3 มีค่า 1 สำหรับดาวเคราะห์ทุกดวงในระบบสุริยะ ในหน่วยเอสไอ: P2a3=3.00×1019s2m3± 0.7%

ตำแหน่งในฟังก์ชันของเวลา

ปัญหาเค็พเพลอร์อนุมานการโคจรวงรีและจุด 4 จุด:

  • s ดวงอาทิตย์ (ณ โฟกัสหนึ่งของวงรี);
  • z จุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด
  • c ศูนย์กลางของวงรี
  • p ดาวเคราะห์

และ

 a=|cz| กึ่งแกนเอก ระยะจากศูนย์กลางถึงจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด นั่นคือกึ่งแกนเอก
 ε=|cs|a ความเยื้องศูนย์กลาง
 b=a1ε2 กึ่งแกนโท
 r=|sp| ระยะจากดวงอาทิตย์ถึงดาวเคราะห์
ν=zsp, ตำแหน่งดาวเคราะห์ตามที่เห็นจากดวงอาทิตย์ นั่นคือ มุมกวาดจริง

ปัญหาคือการคำนวณพิกัดเชิงขั้ว (r,ν) ของดาวเคราะห์จากเวลานับตั้งแต่ดาวเคราะห์ผ่านจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด, t

|zsx|=ab|zsp|  |zcy|=|zsx| และ

M=zcy, y จากที่เห็นจากศูนย์กลาง นั่นคือมุมกวาดเฉลี่ย

 |zcy|=a2M2:|zsp|=ba|zsx|=ba|zcy|=baa2M2=abM2

M=2πtT,

โดย T คือคาบการโคจร

 |zcy|=|zsx|=|zcx||scx|
a2M2=a2E2aεasinE2

Division by a²/2 gives Kepler's equation

M=EεsinE
EM+(ε18ε3)sinM+12ε2sin2M+38ε3sin3M+
acosE=aε+rcosν.
 ra=1ε21+εcosν

to get

cosE=ε+1ε21+εcosνcosν=ε(1+εcosν)+(1ε2)cosν1+εcosν=ε+cosν1+εcosν
tan2x2=1cosx1+cosx

จะได้

tan2E2=1cosE1+cosE=1ε+cosν1+εcosν1+ε+cosν1+εcosν=(1+εcosν)(ε+cosν)(1+εcosν)+(ε+cosν)=1ε1+ε1cosν1+cosν=1ε1+εtan2ν2

คูณด้วย (1+ε)/(1−ε) และใส่รากที่สอง จะได้ผลลัพธ์

tanν2=1+ε1εtanE2

ในขั้นที่สามนี้เราจะได้ความเชื่อมโยงกันระหว่างเวลากับตำแหน่งในวงโคจร

ขั้นที่สี่คือการคำนวณระยะห่างศูนย์สุริยะ r จากมุมกวาดจริง ν ด้วยกฎข้อแรกของเค็พเพลอร์:

 r=a1ε21+εcosν

การอนุพัทธ์ (Derivation) กฎของนิวตัน

การอนุพัทธ์ของกฎเค็พเพลอร์ข้อที่ 2

m𝐫¨=Mmr2(𝐫^)G


𝐫^˙=θ˙θ^

where θ^ is the tangential unit vector, and

θ^˙=θ˙𝐫^.

So the position vector

𝐫=r𝐫^

is differentiated twice to give the velocity vector and the acceleration vector

𝐫˙=r˙𝐫^+r𝐫^˙=r˙𝐫^+rθ˙θ^,
𝐫¨=(r¨𝐫^+r˙𝐫^˙)+(r˙θ˙θ^+rθ¨θ^+rθ˙θ^˙)=(r¨rθ˙2)𝐫^+(rθ¨+2r˙θ˙)θ^.

Note that for constant distance,  r, the planet is subject to the centripetal acceleration, rθ˙2, and for constant angular speed, θ˙, the planet is subject to the coriolis acceleration, 2r˙θ˙.

Inserting the acceleration vector into Newton's laws, and dividing by m, gives the vector equation of motion

(r¨rθ˙2)𝐫^+(rθ¨+2r˙θ˙)θ^=GMr2𝐫^

Equating component, we get the two ordinary differential equations of motion, one for the radial acceleration and one for the tangential acceleration:

r¨rθ˙2=GMr2,
rθ¨+2r˙θ˙=0.

 rθ˙:

θ¨θ˙+2r˙r=0

and integrate:

logθ˙+2logr=log,

where log is a constant of integration, and exponentiate:

r2θ˙=.

This says that the specific angular momentum r2θ˙ is a constant of motion, even if both the distance  r and the angular speed θ˙ vary.

The area swept out from time t1 to time t2,

 t1t212baseheightdt=t1t212rrθ˙dt=12(t2t1)

depends only on the duration t2t1. This is Kepler's second law.

การอนุพัทธ์ของกฎเค็พเพลอร์ข้อที่ 1

p=2G1M1
 u=pr1

and get

GMr2=2p3u2

and

 θ˙=r2=p2u2.
 X˙=dXdθθ˙=dXdθp2u2.

Differentiate

 r=pu1

twice:

r˙=d(pu1)dθp2u2=pu2dudθp2u2=p1dudθ
r¨=dr˙dθp2u2=ddθ(p1dudθ)p2u2=2p3u2d2udθ2

Substitute into the radial equation of motion

r¨rθ˙2=GMr2

and get

(2p3u2d2udθ2)(pu1)(p2u2)2=2p3u2

Divide by 2p3u2

d2udθ2+u=1.


 u=1.
d2udθ2+u=0

These solutions are

 u=ϵcos(θA)

where  ϵ and  A are arbitrary constants of integration. So the result is

 u=1+ϵcos(θA)

Choosing the axis of the coordinate system such that  A=0, and inserting  u=pr1, gives:

 pr1=1+ϵcosθ.

If  ϵ<1, this is Kepler's first law.

กฎเค็พเพลอร์ข้อที่ 3

T2=4π2GMr3

where:


T2=4π2G(M+m)a3

โดย:


12(1ϵ)aVAdt=12(1+ϵ)aVBdt
(1ϵ)VA=(1+ϵ)VB
VA=VB1+ϵ1ϵ


mVA22GmM(1ϵ)a=mVB22GmM(1+ϵ)a
VA22VB22=GM(1ϵ)aGM(1+ϵ)a
VA2VB22=GMa(1(1ϵ)1(1+ϵ))
(VB1+ϵ1ϵ)2VB22=GMa(1+ϵ1+ϵ(1ϵ)(1+ϵ))
VB2(1+ϵ1ϵ)2VB2=2GMa(2ϵ(1ϵ)(1+ϵ))
VB2((1+ϵ)2(1ϵ)2(1ϵ)2)=4GMϵa(1ϵ)(1+ϵ)
VB2(1+2ϵ+ϵ21+2ϵϵ2(1ϵ)2)=4GMϵa(1ϵ)(1+ϵ)
VB24ϵ=4GMϵ(1ϵ)2a(1ϵ)(1+ϵ)
VB=GM(1ϵ)a(1+ϵ).
dAdt=12(1+ϵ)aVBdtdt=12(1+ϵ)aVB
=12(1+ϵ)aGM(1ϵ)a(1+ϵ)=12GMa(1ϵ)(1+ϵ)
TdAdt=πa(1ϵ2)a
T12GMa(1ϵ)(1+ϵ)=π(1ϵ2)a2
T=2π(1ϵ2)a2GMa(1ϵ)(1+ϵ)=2πa2GMa=2πGMa3
T2=4π2GMa3.


T2=4π2G(M+m)a3.

ซ.ต.พ.

อ้างอิง

แม่แบบ:รายการอ้างอิง

ดูเพิ่ม

แหล่งข้อมูลอื่น

  1. Hyman, Andrew. "A Simple Cartesian Treatment of Planetary Motion" แม่แบบ:Webarchive, European Journal of Physics, Vol. 14, pp. 145-147 (1993).
  2. "Kepler's Second Law" by Jeff Bryant with Oleksandr Pavlyk, The Wolfram Demonstrations Project.