Thursday, December 13, 2012

能量积分 引力是势力,质点的机械能守恒;初始能量h,轨道类型

http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/08/01/001/01/00003/wxgd/ylc.htm

引力场中质点的运动
卫星尺寸比地球小得多,忽略其他天体对卫星的引力,则卫星可看成在地球引力作用下质点的运动。如果假设地球由多层均质圆球壳组成,则地球引力集中于地心,卫星是在中心引力场中运动的质点,这时它作kepler运动。

kepler运动 中心引力场中质点运动的理论研究



kepler运动
德国天文学家开普勒(kepler,1571-1634)在观察行星绕日运行中发现了行星运动规律,称为开普勒三大定律,实际上它也是中心引力场中质点运动的普遍规律。
(1) 椭圆定律:行星绕日运动轨道为一椭圆,太阳位于一焦点上。

(2) 面积定律:单位时间内行星向径扫过面积相等(面积速度为常数)。
(3) 谐和定律:行星轨道半长轴的三次方同它公转周期的平方成正比。



中心引力场中质点运动的理论研究
(1) 运动微分方程式
建立惯性坐标系Oxyz,三轴指向三颗恒星,质点S 受力为万有引力F。 (如果是地球的引力,则 为地球半径,g为地球表面的重力加速度。) 运动微分方程为 或 投影式



(2) 首次积分
动量矩积分 引力通过O点,力矩为零,动量矩守恒。 (常矢量) 由此知,质点轨道为平面轨道,轨道平面的法线沿常矢量c。
能量积分 引力是势力,质点的机械能守恒。 或 (常数)
拉普拉斯积分 对运动微分方程作数学推导可得 (位于轨道平面的常矢量)



(3) 轨道方程


或
这是用极坐标描述的轨道方程,它是以引力中心O 为焦点的圆锥曲线,p 为焦点参数,e 为离心率。



(4) 运动特性
·依据质点初始位置及初始速度的不同,轨道类型不同。
初始位置
初始速度
初始能量h 离心率e 轨道类型
双曲线
抛物线
椭圆
圆
·轨道为双曲线和抛物线时,质点远离力心不再返回;最小速度v2称为逃逸速度。对地球而言, 取地球半径R=6370km,地球表面重力加速度 ,则有 ,称为第二宇宙速度。
·轨道为圆时,质点的速度称为环绕速度。对地球而言,卫星在不同高度的环绕速度(不考虑空气阻力)见下表。
卫星高度
卫星距地心距离
环绕速度
运行周期
0 6370 7.910 1:24:20
200 6570 7.789 1:28:20
300 6670 7.730 1:30:21
500 6870 7.617 1:34:27
1000 7370 7.354 1:44:57
3000 9370 6.522 2:30:27
5000 11370 5.921 3:21:06
10000 16370 4.935 5:47:24
30000 36370 3.311 19:10:28
35786 42164 3.075 23:56:04
在地球表面的环绕速度是发射人造卫星的最小速度v1 称为第一宇宙速度。

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