先に学ぶ内容万有引力と惑星の運動ラグランジアンと作用の停留条件

楕円軌道を運動方程式から導く

太陽に最も近い点から、太陽と惑星を結ぶ線に直角な向きに打ち出す。太陽の引力だけで動く惑星の、1⁠周前後の軌道を見る。

次の近日点に達するまで、太陽のまわりを何度回るか?

式から現象を説明する

  1. 1距離と角度で加速度を書くar=⁠r − r θ²⁠,aθ=⁠(1r) d(r² θ)dt……
  2. 2万有引力を入れて、2⁠つの向きの運動方程式を書くm (r − r θ²)=⁠−G M mr²⁠,(mr) d(r² θ)dt=⁠0……
  3. 3角度方向の運動方程式から、角運動量の保存を導くr² θ=⁠h(一定)……
  4. 4u=1/r⁠と置き、時間微分をθ⁠による微分に直すu = 1r⁠,r = −h² u² d²udθ²……
  5. 5運動方程式に入れて、u⁠の式にまとめるd²udθ² + u=⁠G Mh²……
  6. 6単振動の解を書き、u⁠が最大に戻る角度を求めるu=⁠(G Mh²)(1 + e cosθ)……
  7. 7r⁠に戻して、軌道の形を見るr=⁠ℓ1 + e cosθ……
  8. 8近日点と遠日点を使って、形とエネルギーを結ぶe²=⁠1 + 2 E h²(G M)²……
  9. 9面積速度から、楕円の周期を求めるT²=⁠(4π²G M) a³……
  10. 10引力に1/r³⁠の項を足して、u⁠の式を書き直すd²udθ² + (1 − κh²) u=⁠G Mh²……
  11. 11u⁠が最大に戻る角度から、近日点のずれを求めるΘ=⁠360°√(1 − κ/h²)……