Основные понятия космической геодезии и астрономии (стр. 3 из 4)

В коллинеарных точках либрации тела находятся в неустойчивом равновесии. Для астродинамики представляют интерес точки либрации систем Земля — Луна и Солнце — Земля.

Частным случаем трёх тел задачи является так называемая ограниченная задача трёх тел, в которой два тела конечной массы движутся вокруг центра инерции по эллиптическим орбитам, а третье тело имеет бесконечно малую массу. Для ограниченной задачи удалось исследовать разнообразные классы периодических движений. Для общего случая задачи трёх тел подробно изучены предельные свойства движения при t ® +Ґ и t ® —Ґ, то есть так называемые финальные движения.

В задаче двух тел, притягивающиеся тела принимаются за материальные точки, что справедливо, если они имеют сферическую структуру или если расстояния между ними весьма велики сравнительно с их размерами. Это условие в значительной мере выполняется для Солнца и каждой из планет. При решении задачи двух тел обычно рассматривают движение одного тела относительно другого. Движение в этой задаче происходит по коническим сечениям — окружности, эллипсу, параболе, гиперболе, прямой, — согласно законам Кеплера. Задача двух тел, описывающая т. н. невозмущённое движение, является первым приближением при изучении истинных движений небесных тел.

Так как общее математическое решение задачи n тел имеет очень сложный характер и не может быть использовано в конкретных вопросах, в небесной механике рассматриваются отдельные частные задачи, решение которых основывается на тех или иных особенностях Солнечной системы. Так, в первом приближении, движение планеты или кометы можно рассматривать как происходящее в поле тяготения одного только Солнца. В этом случае уравнения движения допускают решение в конечном виде (задача двух тел). Дифференциальные уравнения движения системы больших планет решаются с помощью разложения в математические рады (аналитические методы) или путём численного интегрирования. Теория движения спутников во многих отношениях аналогична теории движения больших планет, однако, она имеет важную особенность: масса планеты, являющаяся в этом случае центральным телом, значительно меньше массы Солнца, вследствие чего его притяжение существенно возмущает движения спутников.

На движение близких к планете спутников большое влияние оказывает также отклонение её формы от сферической.

Особенностью движения Луны является то обстоятельство, что её орбита расположена целиком вне сферы действия тяготения Земли, т. е. за пределами той области, где притяжение Земли преобладает над притяжением Солнца. Поэтому при построении теории движения Луны приходится осуществлять больше последовательных приближений, чем в планетных задачах. В современной теории движения Луны за первое приближение принимается не задача двух тел, а так называемая задача Хилла - специальный случай задачи трёх тел (обычно под ограниченной задачей трёх тел понимают изучение движения материальной точки P3 под действием притяжения точками P1 и P2 ; точки P1 и P2 движутся по кеплеровским орбитам; точка P3 может иметь и не плоское движение и её действие на точки P1 и P2 не учитывается; масса материальной точки P3 принимается равной нулю), решение которой даёт промежуточную орбиту, более удобную для проведения процесса последовательных приближений, чем эллипс.

Построение математических теорий движения конкретных небесных тел как естественных, так и искусственных (планет, спутников, комет, космических зондов).

Орбиты небесных тел - траектории, по которым движутся небесные тела в космическом пространстве. Формы орбит небесных тел и скорости, с которыми по ним движутся небесные тела, определяются силой тяготения, а также силой светового давления, электромагнитными силами, сопротивлением среды, в которой происходит движение, приливными силами, реактивными силами (в случае движения ядра кометы) и многое др.

В движении планет, комет и спутников планет, а также в движении Солнца и звёзд в Галактике решающее значение имеет сила всемирного тяготения. На активных участках орбит искусственных космических объектов наряду с силами тяготения определяющее значение имеет реактивная сила двигательной установки. Ориентация орбиты в пространстве, её размеры и форма, а также положение небесного тела на орбите определяются величинами (параметрами), называемыми элементами орбиты.

Элементы орбит планет, комет и спутников определяются по результатам астрономических наблюдений в три этапа:

вычисляются элементы т. н. предварительной орбиты без учёта возмущений, т. е. решается задача двух тел. Для этой цели в большинстве случаев достаточно иметь три наблюдения (т. е. координаты трёх точек на небесной сфере) небесного тела (например, малой планеты), охватывающие промежуток времени в несколько дней или недель.

Осуществляется улучшение предварительной орбиты (т. е. вычисляются более точные значения элементов орбиты) по результатам более длительного ряда наблюдений.

Вычисляется окончательная орбита, которая наилучшим образом согласуется со всеми имеющимися наблюдениями.

Для многих тел Солнечной системы, в том числе для больших планет, Луны и некоторых спутников планет, имеются уже длительные ряды наблюдений. Для вычисления по этим наблюдениям окончательной орбиты (или, как говорят, для разработки теории движения небесного тела) применяются аналитические и численные методы небесной механики.

В результате первого этапа орбита определяется в виде конического сечения (эллипса, иногда также параболы или гиперболы), в фокусе которого находится другое (центральное) тело. Такие орбиты называются невозмущёнными или кеплеровыми, т.к. движение небесного тела по ним происходит по законам Кеплера.

Напомним:

Первый закон Кеплера (Закон эллипсов)

Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсy, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Форма эллипса и степень его сходства с окружностью характеризуется отношением

,

где c — расстояние от центра эллипса до его фокуса (половина межфокусного расстояния), a — большая полуось. Величина e называется эксцентриситетом эллипса. При c = 0 и e = 0 эллипс превращается в окружность.

Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что «каждый объект во вселенной притягивает каждый другой объект по линии соединяющей центры масс объектов, пропорционально массе каждого объекта, и обратно пропорционально квадрату расстояния между объектами». Это предполагает, что ускорение a имеет форму

Вспомним, что в полярных координатах

В координатной форме запишем

Подставляя

и во второе уравнение, получим

которое упрощается

После интегрирования запишем выражение

для некоторой константы

, которая является удельным угловым моментом ( ).Пусть

Уравнение движения в направлении

становится равным

Закон всемирного тяготения Ньютона связывает силу на единицу массы с расстоянием как

где G — универсальная гравитационная константа и M — масса звезды.

В результате

Это дифференциальное уравнение имеет общее решение:

для произвольных констант интегрирования e и θ₀.

Заменяя u на 1/r и полагая θ₀ = 0, получим:

Мы получили уравнение конического сечения с эксцентриситетом e и началом системы координат в одном из фокусов. Таким образом, первый закон Кеплера прямо следует из закона всемирного тяготения Ньютона и второго закона Ньютона.