Содержание
Часть 1 — Задача двух тел
Часть 2 — Полу-решение задачи двух тел
Часть 3 — Ужепочти-решение задачи двух тел
Часть 4 — Второй закон Кеплера
Привет всем читателям! Сразу приступим к продолжению без лишних разглагольствований. В прошлый раз остановились на:
Это дифференциальное уравнение второго порядка, где в качестве неизвестной функции — длина радиуса вектора, зависящего от времени. Здесь как мы помним, может равняться нулю в случае прямолинейного движения вдоль радиус-вектора. Этот случай слишком прост, его даже рассматривать не будем, а кто хочет может приравнять в уравнении к нулю и дальше его решить.
Здесь попытаемся решать для Первым что приходит в голову (в мою пришло, когда я впервые увидел это уравнение) то, что здесь нет , ну, конечно, и А в таких случаях (специальных) можно проводить дальнейшую замену, которая понижает порядок уравнения до первого.
В общем случае уравнение второго порядка может быть записано в виде:
У нас же — уравнение попроще, когда:
А в таких случаях можно сделать замену, которая снизит порядок уравнения:
где — новая неизвестная функция, но которая зависит не напрямую от времени, а от Тогда:
Здесь продифференцировали как сложную функцию, а потом штрихом обозначили производную по Теперь всё готово, и можно подставить:
Уравнение первого порядка, но относительно вместо времени. Причём с разделяющимися переменными:
Проинтегрировать не составляет труда:
Ну добавили пол константы, какая разница? Зато потом жить проще:
Пришло время вспомнить что такое :
И извлечь корень:
Уравнение опять с разделяющимися переменными, и даже интеграл вроде как берётся в элементарных функциях:
И всё бы хорошо, но проблема в том, что если мы и решим, то получим обратную зависимость, то есть времени от радиуса:
А хотелось бы наоборот:
Да еще и этот — думать какую ветвь выбирать. Но это не самое страшное, нужно будет рассматривать разные случаи соотношений постоянных величин под корнем:
Можно, конечно, и в wolframalpha вбить и прикинуть, что будет:
Это просто страх и ужас, а найти обратную элементарную функцию можно и не мечтать. А ведь нам еще нужно и угол искать:
Слишком муторное дело. И даже умение считать интегралы от обратных функций нас не спасет скорее всего.
Умение считать интегралы от обратных функций
Кстати, можно заметить некоторое свойство для угла вот из этого равенства:
— эта штука всегда больше нуля. Правильней с точки зрения математики сказать: больше либо равно нулю, но с физической точки зрения — только больше. Ведь тела у нас всё таки — не материальные точки. Значит и сблизиться на нулевое расстояние никогда не смогут. То бишь центры масс их никогда не совпадут, иначе им пришлось бы пройти друг сквозь друга. Так что кто боится деления на ноль — не боитесь.
Так о чём это я, ах да. тоже всегда больше либо меньше нуля, либо ноль. Ведь это постоянная величина (кстати, когда ноль — тогда угол постоянен и движение вдоль радиуса вектора, еще раз убедились). А это значит, что производная угла постоянна по знаку на протяжении всего движения:
или
в зависимости от знака .
Иными словами сам угол — строго монотонная функция. Кто не помнит как это, вот наглядная картинка:
Монотонная и немонотонная функция
Этот факт подтверждает то, что мы видели при численном моделировании. Тело всегда движется в одном направлении. Никогда не останавливается (производная равна нулю) и не начинает крутиться в обратном направлении (производная изменила знак).
Соответственно траектории могут и не могут быть такими:
Синие — возможные траектории, красные — невозможные (в полярных координатах)
Ну и анимации лишними не бывают:
Производная меняет знак. Таких решений у нас точно не будет.
Кстати, а эллипсы, гиперболы и параболы (сечения конуса плоскостью) — очень даже возможны. Мы это в прошлый раз видели, численно посчитав.
Я хотел сделать свой ликбез по коническим сечениям, но сегодня мне стало лень, а статью хочется уже опубликовать. Возможно сделаю когда нибудь в будущем. А пока можно ограничиться этим: шары Данделена — вот откуда у эллипсов фокусы растут.
В полярных координатах коники можно задать так (с центром в одном из фокусов и нулевым направлением вдоль главной оси):
где обозначает эксцентриситет, а фокальный параметр.
И о чудо, все три вида коник задаются одним уравнением, и лишь эксцентриситет определяет кем сегодня коника станет.
Эллипс ():
Эллипс
Парабола ():
Парабола
Гипербола ():
Гипербола
Очень всё похоже на траектории движения спутника, полученные численным моделированием…
Как видим, здесь — радиус как функция от угла. И выражения довольно таки простые. Так может имеет смысл найти сначала зависимость радиуса от угла, а потом угла как функции времени? Можно попробовать и проверить нашу гипотезу, что решения являются кониками.
Вспомним что у нас есть:
\begin{equation*}
\begin{cases}
\dot{\phi} = \dfrac{h}{\rho^{2}},
\\
\dot{\rho} = \pm\dfrac{\sqrt{C\rho^{2} + 2\mu\rho — h^{2}}}{\rho}.
\end{cases}
\end{equation*}
Поделив одно на другое, можно избавиться от :
Но опять неудобно получается, наоборот:
Этот интеграл конечно можно взять и даже, скорее всего, потом найти обратную функцию труда не составит. Но есть способ попроще найти зависимость
Мы предполагаем, что решение будет иметь такой вид:
Вот этого уравнения:
Но производная по времени, всё же. А нам бы по углу. Ничего не мешает просто сделать сложную функцию:
и дальше продифференцировать пару раз, при этом используя уже полученные нами факты ().
Но перед этим само уравнение и предполагаемое решение само просится сделать такую замену:
Тогда сама функция будет такой:
А это решения вот таких элементарных диффуров:
То есть сделав последовательную замену:
Можно надеяться, что уравнение будет сведено к очень простенькому.
Приступим:
Подставляя в исходное будет так:
И продолжим, пусть теперь:
Да, немножко поднапрячься нужно, чтобы всё продифференцировать и не ошибиться, но всё-таки дифференцировать это не интегрировать. Да и вообще, всё можно машине поручить, она правильно возьмет производную. Машины, конечно, могут и интегрировать, но не всегда. А вот дифференцировать всё что угодно. Интегрирование всё-таки — это творчество и всегда ним останется IMHO (Ломать — не строить).
В итоге, что у нас есть:
Ну что, будем решать это уравнение?
Это линейное дифф. уравнение второго порядка (вторая производная) неоднородное (справа не ноль). Но неоднородность слишком не усложняет нам процесс решения, так как справа константа, еще и больше нуля всегда (h не равно нулю, кто хотел тот рассмотрел этот случай еще в самом начале, и для этого не нужно было всё выше написанное проделывать).
Стандартный метод решения, но для красивости, всё запишем, ничего не пропустим:
А значит решение будет иметь вид:
Общее решение будет как сумма однородного и частного. Частное можно искать в виде константы:
Тогда общее решение:
Дифференцируя два раза и подставляя в исходное уравнение, находим константу частного решения:
Ну вот, так совпало, что константа это и есть правая часть нашего уравнения. В итоге:
Здесь у нас две произвольные константы (уравнение всё таки второго порядка), которые определяются из начальных условий. Но проблема в том, что мы предполагали найти в таком виде решение (эллипсы, гиперболы, параболы):
Так же? Ну ничего страшного, кто хорошо знаком с тригонометрией, тот легко всё запишет как пожелает (известный трюк):
где — две произвольные константы, выраженные через старые несложным образом. И нам вообще это неважно, ибо это константы.
Таким образом имеем решение, в более-менее ожидаемом виде:
А неизвестные постоянные находятся тоже ожидаемо, для этого нам нужно значение функции в начальной точке, а также производная:
\begin{equation*}
\begin{cases}
u(0) = u_{0},
\\
u^{'}(0) = u^{'}_{0}.
\end{cases}
\end{equation*}
Не стоит также забывать, что зависимость здесь от угла, а не от времени:
Нужна производная, пожалуйста:
И система для нахождения произвольных констант:
\begin{equation*}
\begin{cases}
\dfrac{\mu}{h^{2}} + A\cos(0 — \omega) = u_{0},
\\
-A\sin(0 — \omega) = u^{'}_{0}.
\end{cases}
\end{equation*}
\begin{equation*}
\begin{cases}
A\cos(\omega) = u_{0} — \dfrac{\mu}{h^{2}} = a,
\\
A\sin(\omega) = u^{'}_{0} = b.
\end{cases}
\end{equation*}
Для удобства обозначили за a и b правые части. Теперь легко найти возведя в квадраты равенства и сложив их:
Вероятно нужно будет выбрать +, ведь — это эксцентриситет. Ну да Бог с ним, потом если что и пере-обозначить можно будет в .
Начальный угол можно найти поделив одно уравнение на другое:
Вроде всё нашли, но теперь бы распутать клубок с :
\begin{equation*}
\begin{cases}
a = u_{0} — \dfrac{\mu}{h^{2}},
\\
b = u^{'}_{0}.
\end{cases}
\end{equation*}
Разберем и вспомним что здесь кто:
Чтобы остальное найти, нужно определиться с начальными условиями в полярной системе, они будут такие (здесь уже в начальный момент времени ):
\begin{equation*}
\begin{cases}
\rho(0) = \rho_{0},
\\
\dot{\rho}(0) = \dot{\rho}_{0},
\\
\phi(0) = \phi_{0},
\\
\dot{\phi}(0) = \dot{\phi}_{0}. \\
\end{cases}
\end{equation*}
Тогда в любой момент времени:
В частности нулевой момент позволит определить постоянную :
Момент импульса в нулевой момент времени (игра слов).
И наконец:
А с производной нужно немноооожко повозиться:
То что нам нужно:
Вроде бы разобрались. Но мы то начинали не с полярной системы координат. Не с неё… Еще возни немного будет.
Как мы в полярную попали. Так:
\begin{equation*}
\begin{cases}
x = \rho\cos(\phi),
\\
y = \rho\sin(\phi).
\end{cases}
\end{equation*}
Обратно как? Так (сразу в нулевой момент):
\begin{equation*}
\begin{cases}
\rho_{0} = \sqrt{x^{2}_{0} + y^{2}_{0}},
\\
\phi_{0} = \arctan(\dfrac{y_{0}}{x_{0}}).
\end{cases}
\end{equation*}
Но если кто помнит, мы в прошлые разы направили ось вдоль , а потому должно быть так:
Соответственно:
Ну и не зря же мы до этого начальный угол брали ноль, в смысле здесь
Со скоростями тоже всё просто (копируем формулы с прошлой статьи):
\begin{equation*}
\begin{cases}
\dot{x} = \dot{\rho}\cos(\phi) — \rho\sin(\phi)\dot{\phi}
\\
\dot{y} = \dot{\rho}\sin(\phi) + \rho\cos(\phi)\dot{\phi}
\end{cases}
\end{equation*}
Правда нужно наоборот, тут линейная система уравнений, решаем:
\begin{equation*}
\begin{cases}
\dot{\rho} = \dot{x}\cos(\phi) + \dot{y}\sin(\phi)
\\
\dot{\phi} = \dfrac{\dot{y}\cos(\phi) — \dot{x}\sin(\phi)}{\rho}
\end{cases}
\end{equation*}
Этим можно пользоваться даже когда начальный угол не ноль, но в нашем случае:
\begin{equation*}
\begin{cases}
\dot{\rho}_{0} = \dot{x}_{0}
\\
\dot{\phi}_{0} = \dfrac{\dot{y}_{0}}{\rho_{0}}
\end{cases}
\end{equation*}
Ну а дальше я не стану расписывать как из начальных данных (мы ведь с этого начинали) вычислить . Скажу лишь что следующий шаг будет применение обратной матрицы преобразования, она где то в прошлых статьях затерялась. И таким образом мы обратно выйдем из плоскости в трехмерное пространство. Как ни уютно было в двумерном, но мы живем в трехмерном…
На сегодня всё. Продолжение следует…
хлеб наш насущный дай нам на сей день.
PayPal ($): what.is.truth.19@gmail.com
Bitcoin (BTC): 1AodAFYCbwrwTiZb5JVsQjv37G5toBcyQ
Ethereum Classic (ETC): 0x9234016395e0e6ef7cf6c0aa0f6f48f91ab39239
Ripple (XRP): rLW9gnQo7BQhU6igk5keqYnH3TVrCxGRzm (адрес), 270547561 (тег)
Bitcoin Cash (BCH): bitcoincash:qzxfz2hdcl0hv23a3hlcefsy07mglssjtgwrckhyg8
или webmoney (Ниже: Поддержать автора -> Отправить деньги)
Bitcoin (BTC): 1AodAFYCbwrwTiZb5JVsQjv37G5toBcyQ
Ethereum Classic (ETC): 0x9234016395e0e6ef7cf6c0aa0f6f48f91ab39239
Ripple (XRP): rLW9gnQo7BQhU6igk5keqYnH3TVrCxGRzm (адрес), 270547561 (тег)
Bitcoin Cash (BCH): bitcoincash:qzxfz2hdcl0hv23a3hlcefsy07mglssjtgwrckhyg8
или webmoney (Ниже: Поддержать автора -> Отправить деньги)
Нет столь святаго, как Господь; ибо нет другого, кроме Тебя; и нет твердыни, как Бог наш.
Не умножайте речей надменных; дерзкие слова да не исходят из уст ваших; ибо Господь есть Бог ведения, и дела у Него взвешены.
Лук сильных преломляется, а немощные препоясываются силою;
сытые работают из хлеба, а голодные отдыхают; даже бесплодная рождает семь раз, а многочадная изнемогает.
Господь умерщвляет и оживляет, низводит в преисподнюю и возводит;
Господь делает нищим и обогащает, унижает и возвышает.
Из праха подъемлет Он бедного, из брения возвышает нищего, посаждая с вельможами, и престол славы дает им в наследие; ибо у Господа основания земли, и Он утвердил на них вселенную.
Стопы святых Своих Он блюдет, а беззаконные во тьме исчезают; ибо не силою крепок человек.
Господь сотрет препирающихся с Ним; с небес возгремит на них. Господь будет судить концы земли, и даст крепость царю Своему и вознесет рог помазанника Своего.
1-я Царств 2
ViacheslavMezentsev
Всё интересно, но как-то очень странно выглядят вставки «бога» в конце. У вас обе картины мира существуют равноправно и параллельно? Чисто из любопытства спрашиваю, т.к. очень трудно представить рационально мыслящего человека, использующего науку для расчётов путешествия к звездам, который в одно и то же время считает, что он создан и из звёзд, и не из звёзд.
nickname21 Автор
Значит у меня успех, и я уже одной ногой в клубе иррационально мыслящих людей:
Чарльз Бэббидж
Боголюбов, Николай Николаевич
Ньютон, Исаак
Гаусс, Карл Фридрих
Ферма, Пьер
Эйнштейн, Альберт
Браун, Вернер фон
…
ViacheslavMezentsev
Судя по ссылкам, вы находитесь на пути к науке, как указанные учёные в своё время.
Удивляет то, что одновременно используете научные методы, «учите» им доверять, я так полагаю, и в то же самое время ссылаетесь на какие-то цитаты, которые с научным методом не имеют ничего общего. Как это может быть в одной голове одновременно? Раздвоенное мировоззрение? Тестирование местных хабровчан? И как это поможет в описании реального мира? В чём прогностическая ценность? У науки такая ценность есть, судя по вашим же картинкам в статье.
А что до учёных — они все люди, конечно, но в наше время вставлять подобные цитаты в подобной статье очень странно. Неужели не нашлось каких-то цитат, например, от Циолковского, Королёва, Чертока и им подобным людям, которым мы все обязаны своим вовлечением в космические темы?
Я сам придерживаюсь следующих взглядов по этой теме, высказанных академиком Александровым:
nickname21 Автор
Так я ж в статью и не вставлял цитаты. Цитата под спойлером, а спойлер в самом конце статьи. И который к статье не относится и служит для напоминания хорошим людям о том, что они могут лишние деньги слать мне.
Эти люди и есть наука. Вы просто не можете принять того факта :), что наука и «религия» идут рука об руку и никак не конфликтуют. Потому что Бог создал нас, а мы науку. По закону транзитивности Бог создал и науку. Это моё мнение и моя вера, вам меня не переубедить, спорить я не буду — Иисус не спорил.
Wernher von Braun
Вернер фон Браун — это тот человек, который отправил на Луну людей и вернул успешно. А знаете почему так произошло, почему не мы отправили? Потому что ему Бог помогал. А СССР было безбожным — вот и рухнуло как вавилонская башня. Без Бога нам до небес и к звездам не добраться — это факт.
nickname21 Автор
Оказывается Марк Цукерберг — не атеист
Я не проверял среди 28тыс комментариев, но верю что это правда.
И я думаю Илон Маск тоже верит в Бога…
ViacheslavMezentsev
Я не так чтобы часто посещаю хабр, но такое вижу впервые. Плакать тут или смеяться даже не знаю. И это представитель современного поколения?
nickname21 Автор
У вас всё в порядке? Головка не болеет? Может быть к врачу следует обратиться? Я начинаю переживать за ваше здоровье…
ViacheslavMezentsev
Это результат моделирования с использованием Лямбда-CDM. Анимация выполнена Андреем Кравцовым:
nickname21 Автор
Человеку приводишь факты — он их напрочь не видит. Выдающиеся учёные для него — просто люди, которые находятся на пути к науке. Бог ты мой, Господи…
Ладно бы привел только каких-то 500 летней давности, так нет. Боголюбов — умер в 1992 г. — выдающийся физик СССР, работал в квантовой теории поля, православный всю жизнь.
Вернер фон Браун — ракетчик! В противовес Королёвым, Циолковским… — верун. К концу жизни всё больше и больше говорил о Боге.
(и это еще нужно проверить, может и Королёв был верующим?)
Вот такие вот глупцы и будут гореть в геенне огненной. У которых своя картина мира в голове, и реальную они принять не могут. Истину не пускают.
Вы или очень странный человек, или болен. Или бес вселился в вас дабы меня испытать. Но ничего, дэмон, Бог сам с тобой разберется, Бог — мой Отец, мой защитник.
ViacheslavMezentsev
Вы главное не останавливайтесь. Вижу, что анализировать умеете, с разными координатными системами знакомы. Может быть и с преобразованием Фурье знакомы. Тогда вам будет несложно, используя цифровые данные Планка и преобразование Фурье в сферических координатах, получить известную кривую — угловое распределение плотности фона реликтового излучения :) Добро пожаловать на борт переднего края современной астрофизики, ну или почти переднего.
Не стесняйтесь, приводите в статьях эти сведения. Молодёжи всегда интересно что-то новое. Верующий, пропагандирующий теорию эволюции, это нечто, на что всем будет интересно посмотреть :)