อ่าน 8 นาที
วงโคจรวงรี
ในวิชาดาราศาสตร์พลศาสตร์หรือกลศาสตร์ท้องฟ้าวงโคจรวงรีหรือวงโคจรแบบเยื้องศูนย์คือวงโคจรที่มีค่าความเยื้องศูนย์น้อยกว่า 1...
วงโคจรวงรี





| ส่วนหนึ่งของชุดบทความเกี่ยวกับ |
| พลศาสตร์ดาราศาสตร์ |
|---|
ในวิชาดาราศาสตร์พลศาสตร์หรือกลศาสตร์ท้องฟ้าวงโคจรวงรีหรือวงโคจรแบบเยื้องศูนย์คือวงโคจรที่มีค่าความเยื้องศูนย์น้อยกว่า 1 ซึ่งรวมถึงกรณีพิเศษของวงโคจรวงกลมที่มีค่าความเยื้องศูนย์เท่ากับ 0 วงโคจรบางวงอาจถูกเรียกว่า "วงโคจรแบบยาว" หากค่าความเยื้องศูนย์ "สูง" แต่คำนั้นไม่ใช่คำอธิบายที่เหมาะสม สำหรับปัญหาวัตถุสองชิ้นอย่างง่าย วงโคจรทั้งหมดเป็นวงรี
ในปัญหาแรงโน้มถ่วงของวัตถุสองชิ้นวัตถุทั้งสองจะโคจรเป็นวงรีคล้ายกัน โดยมี คาบการโคจร เท่ากัน รอบจุดศูนย์กลาง มวลร่วมกัน ตำแหน่งสัมพัทธ์ของวัตถุชิ้นหนึ่งเทียบกับอีกชิ้นหนึ่งก็โคจรเป็นวงรีเช่นกัน
ในระบบสุริยะ มวลที่โดดเด่นของดวงอาทิตย์ทำให้ดาวเคราะห์แต่ละดวงโคจรเป็นวงรีเกือบเป็นวงกลม ( eใกล้ 0) โดยมีดวงอาทิตย์เป็นจุดโฟกัสหลัก ในขณะที่ดาวหาง เช่น ดาวหางฮัลเลย์ โคจรเป็นวงรีหรือวงรียาว ( eใกล้ 1) ตัวอย่างของวงโคจรหรือวิถีโคจรแบบวงรีสำหรับดาวบริวาร ได้แก่วงโคจรการถ่ายโอนของโฮห์มันน์วง โคจร ของมอลนิยาและวงโคจรทุนดรา
ความเร็ว
ภายใต้สมมติฐานมาตรฐาน ไม่มีแรงอื่นใดกระทำนอกจากวัตถุสมมาตรทรงกลมสองชิ้นและ [ 1 ] ความเร็ววงโคจร ( ) ของวัตถุหนึ่งที่เคลื่อนที่ไปตามวงโคจรวงรีสามารถคำนวณได้จากสมการวิส-วิวาดังนี้: [ 2 ]
ที่ไหน:
- คือค่าพารามิเตอร์ความโน้มถ่วงมาตรฐานซึ่งมักแสดงเป็นเมื่อวัตถุหนึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอีกวัตถุหนึ่งมาก
- คือระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุทั้งสอง
- คือความยาวของแกนกึ่งเอก
สมการความเร็วสำหรับวิถีโค้งไฮเปอร์โบลาจะมีค่าเป็น หรือหรือ หรือ ซึ่งเหมือนกันโดยมีข้อตกลงว่าในกรณีนั้นจะมีค่าเป็นลบ
คาบการโคจร
ภายใต้สมมติฐานมาตรฐาน คาบวงโคจร ( ) ของวัตถุที่เคลื่อนที่ไปตามวงโคจรวงรีสามารถคำนวณได้ดังนี้: [ 3 ]
ที่ไหน:
- เป็นพารามิเตอร์ความโน้มถ่วงมาตรฐาน
- คือความยาวของแกนกึ่งเอก
สรุปผล:
- คาบการโคจรเท่ากับคาบการโคจรเป็นวงกลมที่มีรัศมีวงโคจรเท่ากับแกนกึ่งเอก ( )
- สำหรับค่ากึ่งแกนเอกที่กำหนดไว้ คาบการโคจรจะไม่ขึ้นอยู่กับค่าความเยื้องศูนย์กลาง (ดูเพิ่มเติม: กฎข้อที่สามของเคปเลอร์ )
พลังงาน
ภายใต้สมมติฐานมาตรฐานพลังงานวงโคจรจำเพาะ ( ) ของวงโคจรวงรีจะเป็นลบ และสมการอนุรักษ์พลังงานวงโคจร ( สมการ Vis-viva ) สำหรับวงโคจรนี้สามารถมีรูปแบบดังนี้: [ 4 ]
ที่ไหน:
- คือความเร็วเชิงวงโคจรของวัตถุที่โคจรอยู่
- คือระยะห่างของวัตถุที่โคจรจากวัตถุศูนย์กลาง
- คือความยาวของแกนกึ่งเอก
- เป็นพารามิเตอร์ความโน้มถ่วงมาตรฐาน
สรุปผล:
- สำหรับค่ากึ่งแกนเอกที่กำหนด พลังงานวงโคจรจำเพาะจะไม่ขึ้นอยู่กับค่าความเยื้องศูนย์กลาง
ใช้ทฤษฎีบทวิเรียลเพื่อหา:
- ค่าเฉลี่ยของพลังงานศักย์จำเพาะในช่วงเวลาเท่ากับ −2ε
- ค่าเฉลี่ยเวลาของr −1คือa −1
- ค่าเฉลี่ยของพลังงานจลน์จำเพาะในช่วงเวลาเท่ากับ ε
พลังงานในแง่ของแกนกึ่งเอก
การทราบพลังงานในแง่ของแกนกึ่งเอก (และมวลที่เกี่ยวข้อง) อาจเป็นประโยชน์ พลังงานรวมของวงโคจรคำนวณได้จากสูตร
- ,
โดยที่ a คือแกนกึ่งเอก
อนุพันธ์
เนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง โมเมนตัมเชิงมุมจึงคงที่:
เมื่อเข้าใกล้ที่สุดและไกลที่สุด โมเมนตัมเชิงมุมจะตั้งฉากกับระยะห่างจากมวลที่โคจร ดังนั้น:
- .
พลังงานรวมของวงโคจรกำหนดโดย[ 5 ]
- .
เมื่อแทนค่า v ลงในสมการ จะได้เป็น
- .
นี่เป็นความจริงสำหรับ r ซึ่งเป็นระยะทางที่ใกล้ที่สุด/ไกลที่สุด ดังนั้นจึงมีสมการสองสมการพร้อมกัน ซึ่งเมื่อแก้หาค่า E แล้วจะได้ดังนี้:
เนื่องจากและโดยที่เอปซิลอนคือค่าความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจร จึงได้ผลลัพธ์ตามที่ระบุไว้
มุมวิถีการบิน
มุมเส้นทางการบินคือมุมระหว่างเวกเตอร์ความเร็วของวัตถุที่โคจร (เท่ากับเวกเตอร์สัมผัสวงโคจร ณ ขณะนั้น) และแนวนอนท้องถิ่น ภายใต้สมมติฐานมาตรฐานของการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม มุมเส้นทางการบินจะสอดคล้องกับสมการ: [ 6 ]
ที่ไหน:
- คือโมเมนตัมเชิงมุมสัมพัทธ์จำเพาะของวงโคจร
- คือความเร็วเชิงวงโคจรของวัตถุที่โคจรอยู่
- คือระยะรัศมีของวัตถุที่โคจรจากวัตถุศูนย์กลาง
- มุมวิถีการบิน
คือมุมระหว่างเวกเตอร์ความเร็ววงโคจรกับแกนกึ่งเอกคือค่าความผิดปกติจริงเฉพาะที่ ดังนั้น
ความแปลกประหลาดอยู่ ที่ไหน
โมเมนตัมเชิงมุมมีความสัมพันธ์กับผลคูณเวกเตอร์ของตำแหน่งและความเร็ว ซึ่งเป็นสัดส่วนกับไซน์ของมุมระหว่างเวกเตอร์ทั้งสองนี้ ในที่นี้ θ ถูกกำหนดให้เป็นมุมที่ต่างจากมุมนี้ 90 องศา ดังนั้นจึงใช้โคไซน์แทนไซน์
สมการการเคลื่อนที่
จากตำแหน่งและความเร็วเริ่มต้น
สมการวงโคจรจะกำหนดเส้นทางของวัตถุที่โคจร รอบวัตถุศูนย์กลางโดยสัมพันธ์กับแกนx โดยไม่ระบุตำแหน่งเป็นฟังก์ชันของเวลา หากค่าความเยื้องศูนย์กลางน้อยกว่า 1 สมการการเคลื่อนที่จะอธิบายวงโคจรแบบวงรี เนื่องจากสมการของเคปเลอร์ไม่มีคำตอบในรูปแบบปิด ทั่วไป สำหรับค่าความเยื้องศูนย์กลาง (E) ในรูปของค่าความเยื้องศูนย์กลางเฉลี่ย (M) ดังนั้นสมการการเคลื่อนที่ที่เป็นฟังก์ชันของเวลาจึงไม่มีคำตอบในรูปแบบปิดเช่นกัน (แม้ว่าจะมีคำตอบเชิงตัวเลขสำหรับทั้งสองกรณีก็ตาม)
อย่างไรก็ตาม สมการเส้นทางแบบปิดที่ไม่ขึ้นกับเวลาของวงโคจรวงรีที่สัมพันธ์กับวัตถุศูนย์กลางสามารถกำหนดได้จากตำแหน่งเริ่มต้น ( ) และความเร็ว ( ) เพียงอย่างเดียว
ในกรณีนี้ การใช้สมมติฐานต่อไปนี้จะสะดวกกว่า ซึ่งแตกต่างจากสมมติฐานมาตรฐานข้างต้นเล็กน้อย:
- ตำแหน่งของวัตถุศูนย์กลางอยู่ที่จุดกำเนิดและเป็นจุดโฟกัสหลัก ( ) ของวงรี (หรืออาจใช้จุดศูนย์กลางมวลแทนได้หากวัตถุที่โคจรมีมวลมาก)
- มวลของวัตถุศูนย์กลาง (m1) เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว
- ตำแหน่งเริ่มต้น ( ) และความเร็วเริ่มต้น ( ) ของวัตถุที่โคจร เป็นที่ทราบแล้ว
- วงรีนั้นอยู่ภายในระนาบ XY
ข้อสมมติฐานที่สี่สามารถตั้งได้โดยไม่เสียความเป็นทั่วไป เนื่องจากจุด (หรือเวกเตอร์) สามจุดใดๆ จะต้องอยู่บนระนาบเดียวกัน ภายใต้ข้อสมมติฐานเหล่านี้ จุดโฟกัสที่สอง (บางครั้งเรียกว่าจุดโฟกัส "ว่าง") จะต้องอยู่บนระนาบ XY ด้วยเช่นกัน: .
การใช้เวกเตอร์
สมการทั่วไปของวงรีภายใต้สมมติฐานเหล่านี้โดยใช้เวกเตอร์คือ:
ที่ไหน:
- คือความยาวของแกนกึ่งเอก
- คือจุดโฟกัสที่สอง ("ว่างเปล่า")
- คือค่า (x,y) ใดๆ ที่สอดคล้องกับสมการ
ความยาวของแกนกึ่งเอก (a) สามารถคำนวณได้ดังนี้:
ค่าพารามิเตอร์ความโน้มถ่วงมาตรฐาน อยู่ที่ไหน
จุดโฟกัสว่าง ( ) สามารถหาได้โดยการกำหนดเวกเตอร์ความเยื้องศูนย์ ก่อน :
โมเมนตัมเชิงมุมจำเพาะของวัตถุที่โคจรอยู่ที่ใด : [ 7 ]
แล้ว
การใช้พิกัด XY
สามารถดำเนินการนี้ได้ในระบบพิกัดคาร์ทีเซียนโดยใช้ขั้นตอนต่อไปนี้:
สมการทั่วไปของวงรีภายใต้สมมติฐานข้างต้นคือ:
ที่ให้ไว้:
- พิกัดตำแหน่งเริ่มต้น
- พิกัดความเร็วเริ่มต้น
และ
- พารามิเตอร์แรงโน้มถ่วง
แล้ว:
- โมเมนตัมเชิงมุมจำเพาะ
- ระยะห่างเริ่มต้นจาก F1 (ที่จุดกำเนิด)
- ความยาวของแกนกึ่งเอก
- พิกัดเวกเตอร์ความเยื้องศูนย์
สุดท้ายนี้ พิกัดโฟกัสที่ว่างเปล่า
ตอนนี้ค่าผลลัพธ์fx, fyและaสามารถนำไปใช้กับสมการวงรีทั่วไปข้างต้นได้แล้ว
พารามิเตอร์วงโคจร
สถานะของวัตถุที่โคจรอยู่ ณ เวลาใดเวลาหนึ่งนั้น กำหนดโดยตำแหน่งและความเร็วของวัตถุที่โคจรอยู่เมื่อเทียบกับวัตถุศูนย์กลาง ซึ่งสามารถแสดงได้ด้วยพิกัดคาร์ทีเซียน สามมิติ (ตำแหน่งของวัตถุที่โคจรอยู่แทนด้วย x, y และ z) และส่วนประกอบคาร์ทีเซียนที่คล้ายกันของความเร็วของวัตถุที่โคจรอยู่ ชุดตัวแปรทั้งหกนี้ ร่วมกับเวลา เรียกว่าเวกเตอร์สถานะวงโคจรเมื่อทราบมวลของวัตถุทั้งสองแล้ว ตัวแปรเหล่านี้จะกำหนดวงโคจรทั้งหมด กรณีทั่วไปที่สุดสองกรณีที่มีองศาอิสระทั้ง 6 นี้ คือ วงโคจรวงรีและวงโคจรไฮเปอร์โบลา กรณีพิเศษที่มีองศาอิสระน้อยกว่า คือ วงโคจรวงกลมและวงโคจรพาราโบลา
เนื่องจากจำเป็นต้องใช้ตัวแปรอย่างน้อยหกตัวเพื่อแสดงวงโคจรวงรีได้อย่างสมบูรณ์ด้วยชุดพารามิเตอร์นี้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ตัวแปรหกตัวเพื่อแสดงวงโคจรด้วยชุดพารามิเตอร์ใดๆ ก็ตาม ชุดพารามิเตอร์หกตัวอีกชุดหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปคือองค์ประกอบ ของวง โคจร
ระบบสุริยะ
ในระบบสุริยะดาวเคราะห์ดาวเคราะห์น้อยดาวหางส่วนใหญ่และเศษซากอวกาศบางส่วนมีวงโคจรเป็นรูปวงรีโดยประมาณรอบดวงอาทิตย์ โดยทั่วไปแล้ว วัตถุทั้งสองจะโคจรรอบจุดโฟกัสเดียวกันของวงรี โดยจุดโฟกัสจะอยู่ใกล้กับวัตถุที่มีมวลมากกว่า แต่เมื่อวัตถุหนึ่งมีมวลมากกว่าอย่างเห็นได้ชัด เช่น ดวงอาทิตย์เมื่อเทียบกับโลก จุดโฟกัสอาจอยู่ภายในวัตถุที่มีมวลมากกว่า ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าวัตถุที่มีมวลน้อยกว่าโคจรรอบวัตถุที่มีมวลมากกว่า แผนภูมิแสดงจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดและจุดไกลดวงอาทิตย์ ที่สุด ของดาวเคราะห์ดาวเคราะห์แคระและดาวหางฮัลเลย์แสดงให้เห็นถึงความแปรผันของค่าความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจรวงรี สำหรับระยะทางที่ใกล้เคียงกันจากดวงอาทิตย์ แท่งกราฟที่กว้างกว่าแสดงถึงค่าความเยื้องศูนย์กลางที่มากกว่า โปรดสังเกตค่าความเยื้องศูนย์กลางที่เกือบเป็นศูนย์ของโลกและดาวศุกร์ เมื่อเทียบกับค่าความเยื้องศูนย์กลางมหาศาลของดาวหางฮัลเลย์และอีริส
วิถีวงรีรัศมี
วิถีโคจรแบบรัศมีอาจเป็นส่วนของเส้นตรงคู่ซึ่งเป็นวงรีเสื่อมสภาพที่มีแกนกึ่งเล็กเท่ากับ 0 และความเยื้องศูนย์เท่ากับ 1 แม้ว่าความเยื้องศูนย์จะเป็น 1 แต่นี่ไม่ใช่เส้นทางโคจรแบบพาราโบลา คุณสมบัติและสูตรส่วนใหญ่ของเส้นทางโคจรแบบวงรีสามารถนำมาใช้ได้ อย่างไรก็ตาม เส้นทางโคจรนี้ไม่สามารถเป็นวงโคจรปิดได้ มันเป็นเส้นทางโคจรเปิดที่สอดคล้องกับส่วนหนึ่งของวงรีเสื่อมสภาพตั้งแต่ช่วงเวลาที่วัตถุสัมผัสกันและเคลื่อนห่างจากกันจนกระทั่งสัมผัสกันอีกครั้ง ในกรณีของมวลจุด เส้นทางโคจรหนึ่งรอบสมบูรณ์เป็นไปได้ โดยเริ่มต้นและสิ้นสุดที่จุดเอกฐาน ความเร็วที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดเป็นอนันต์ในทิศทางตรงกันข้าม และพลังงานศักย์เท่ากับลบอนันต์
วิถีโค้งวงรีรัศมีเป็นคำตอบของปัญหาสองวัตถุที่มีความเร็วเป็นศูนย์ ณ ช่วงเวลาหนึ่ง เช่น ในกรณีของการปล่อยวัตถุ (โดยไม่คำนึงถึงแรงต้านอากาศ)
ประวัติศาสตร์
ชาวบาบิโลนเป็นกลุ่มแรกที่ตระหนักว่าการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ตามระนาบสุริยวิถีไม่สม่ำเสมอ แม้ว่าพวกเขาจะไม่ทราบสาเหตุ ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นเพราะโลกโคจรเป็นวงรีรอบดวงอาทิตย์ โดยโลกจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่ออยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่จุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด ( perihelion)และเคลื่อนที่ช้าลงเมื่ออยู่ไกลจากดวงอาทิตย์ที่สุด (aphelion ) [ 8 ]
ในศตวรรษที่ 17 โยฮันเนส เคปเลอร์ ค้นพบว่าวงโคจรที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่จุดโฟกัสจุดหนึ่ง และได้อธิบายสิ่งนี้ไว้ในกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ข้อแรก ของเขา ต่อมาไอแซค นิวตันได้อธิบายสิ่งนี้ว่าเป็นผลลัพธ์ที่ได้จากกฎแรงโน้มถ่วงสากล ของ เขา
ดูเพิ่มเติม
แหล่งที่มา
- D'Eliseo, Maurizio M. (2007). "สมการวงโคจรอันดับแรก". American Journal of Physics . 75 (4): 352– 355. Bibcode : 2007AmJPh..75..352D . doi : 10.1119/1.2432126 .
- D'Eliseo, Maurizio M.; Mironov, Sergey V. (2009). "วงรีแรงโน้มถ่วง". วารสารฟิสิกส์คณิตศาสตร์50 (2): 022901. arXiv : 0802.2435 . Bibcode : 2009JMP....50a2901M . doi : 10.1063/1.3078419 .
- เคอร์ติส, ฮาวาร์ด ดี. (2019). กลศาสตร์วงโคจรสำหรับนักศึกษาวิศวกรรม (ฉบับที่ 4). บัตเตอร์เวิร์ธ-ไฮเนมันน์ . ISBN 978-0-08-102133-0.
ลิงก์ภายนอก
- การเปรียบเทียบภาพถ่ายดวงจันทร์จากจุดไกลสุดและจุดใกล้สุด
- การเปรียบเทียบภาพถ่ายดวง อาทิตย์ ณ จุดไกลสุดจากดวง อาทิตย์ (Aphelion) และจุดใกล้สุดจากดวงอาทิตย์ (Perihelion)
- โครงการดาราศาสตร์ การติดตามดาวเทียม และการวิจัยเชิงแสงของแคนาดา (CASTOR)
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ วงโคจรวงรี
ในวิชาดาราศาสตร์พลศาสตร์หรือกลศาสตร์ท้องฟ้าวงโคจรวงรีหรือวงโคจรแบบเยื้องศูนย์คือวงโคจรที่มีค่าความเยื้องศูนย์น้อยกว่า 1...
ความเร็ว
ภายใต้สมมติฐานมาตรฐาน ไม่มีแรงอื่นใดกระทำนอกจากวัตถุสมมาตรทรงกลมสองชิ้น และ [ 1 ] ความเร็ว วง โคจร ( ) ของวัตถุหนึ่งที่เคลื่อนที่ไปตาม วงโคจรวงรี สามารถคำนวณได้จาก สมการวิส-วิวา ดังนี้: [ 2 ] ( ม 1 ) {\displaystyle (m_{1})} ( ม 2 ) {\displaystyle (m_{2})} วี...
คาบการโคจร
ภายใต้สมมติฐานมาตรฐาน คาบวงโคจร ( ) ของวัตถุที่เคลื่อนที่ไปตามวงโคจรวงรีสามารถคำนวณได้ดังนี้: [ 3 ] ที {\displaystyle T\,\!}
พลังงาน
ภายใต้สมมติฐานมาตรฐาน พลังงานวงโคจรจำเพาะ ( ) ของวงโคจรวงรีจะเป็นลบ และสมการอนุรักษ์พลังงานวงโคจร ( สมการ Vis-viva ) สำหรับวงโคจรนี้สามารถมีรูปแบบดังนี้: [ 4 ] ϵ {\displaystyle \epsilon }
