先に学ぶ内容円運動と遠心力力学的エネルギーが保存する条件

万有引力と惑星の運動

中心の星を焦点とする楕円軌道を、小天体が回る。はじめは、星から最遠点までの距離が、最接近点までの2⁠倍だ。

最遠点での速さは、最接近点での速さの何倍か?

式から現象を説明する

  1. 1万有引力を書くF=⁠G M mr²……
  2. 2運動方程式から、角運動量の時間変化の式を作るd(𝐫 × m𝐯)dt=⁠𝐫 × 𝐅……
  3. 3中心を向く力から、角運動量の保存を導く𝐫 × m𝐯=⁠一定……
  4. 4最接近点と最遠点の速さの比を求めるv遠v近=⁠r近r遠……
  5. ここからは円軌道を考える(楕円の両端の話から、半径が一定の軌道へ切りかえる)。
  6. 5円軌道の速さを出すv=⁠√(G Mr)……
  7. 6位置エネルギーを出すU=⁠−G M mr……
  8. 7エネルギーの保存を使う½ m v²−⁠G M mr=⁠E……
  9. 発展:地球・月の運動と軌道の法則
  10. 8地表に当てはめるg=⁠G MR²……
  11. 9月も落ちているか確かめるa月=⁠g (Rr)²……
  12. 10周期と半径の関係を出すT²=⁠(4π²G M) r³……
  13. 11脱出速度を求めるv=⁠√(2 G MR)……
  14. 12数値で解いて軌道の形を見るm d²𝐫dt²=⁠−G M m 𝐫r³……