กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 8 นาที

วงโคจรวงรี

ในวิชาดาราศาสตร์พลศาสตร์หรือกลศาสตร์ท้องฟ้าวงโคจรวงรีหรือวงโคจรแบบเยื้องศูนย์คือวงโคจรที่มีค่าความเยื้องศูนย์น้อยกว่า 1...

วงโคจรวงรี

ภาพเคลื่อนไหวแสดงวงโคจรโดยใช้ค่าความเยื้องศูนย์กลาง  0.0  ·  0.2  ·  0.4  ·  0.6  ·  0.8
วัตถุสองชิ้นที่มีมวลใกล้เคียงกันโคจรรอบจุดศูนย์กลาง มวลร่วมกัน ด้วยวงโคจรวงรี
วัตถุสองชิ้นที่มีมวลไม่เท่ากัน โคจรรอบจุดศูนย์กลาง มวลร่วมกัน ด้วยวงโคจรเป็นวงกลม
วัตถุสองชิ้นที่มีมวลไม่เท่ากันอย่างมาก โคจรรอบจุดศูนย์กลาง มวลร่วมกัน ด้วยวงโคจรเป็นวงกลม
วงโคจรวงรีแสดงอยู่ในส่วนบนขวาของแผนภาพนี้ โดยที่บ่อศักย์โน้มถ่วงของมวลศูนย์กลางแสดงถึงพลังงานศักย์ และพลังงานจลน์ของความเร็วในการโคจรแสดงด้วยสีแดง ความสูงของพลังงานจลน์จะลดลงเมื่อความเร็วของวัตถุที่โคจรลดลงและระยะทางเพิ่มขึ้น ตามกฎของเคปเลอร์

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:

สรุปผล:

  • คาบการโคจรเท่ากับคาบการโคจรเป็นวงกลมที่มีรัศมีวงโคจรเท่ากับแกนกึ่งเอก ( )
  • สำหรับค่ากึ่งแกนเอกที่กำหนดไว้ คาบการโคจรจะไม่ขึ้นอยู่กับค่าความเยื้องศูนย์กลาง (ดูเพิ่มเติม: กฎข้อที่สามของเคปเลอร์ )

พลังงาน

ภายใต้สมมติฐานมาตรฐานพลังงานวงโคจรจำเพาะ ( ) ของวงโคจรวงรีจะเป็นลบ และสมการอนุรักษ์พลังงานวงโคจร ( สมการ Vis-viva ) สำหรับวงโคจรนี้สามารถมีรูปแบบดังนี้: [ 4 ]

ที่ไหน:

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:

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:

  1. ตำแหน่งของวัตถุศูนย์กลางอยู่ที่จุดกำเนิดและเป็นจุดโฟกัสหลัก ( ) ของวงรี (หรืออาจใช้จุดศูนย์กลางมวลแทนได้หากวัตถุที่โคจรมีมวลมาก)
  2. มวลของวัตถุศูนย์กลาง (m1) เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว
  3. ตำแหน่งเริ่มต้น ( ) และความเร็วเริ่มต้น ( ) ของวัตถุที่โคจร เป็นที่ทราบแล้ว
  4. 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 เมื่อเทียบกับค่าความเยื้องศูนย์กลางมหาศาลของดาวหางฮัลเลย์และอีริ

Astronomical unitAstronomical unitAstronomical unitAstronomical unitAstronomical unitAstronomical unitAstronomical unitAstronomical unitAstronomical unitAstronomical unitHalley's CometSunEris (dwarf planet)Makemake (dwarf planet)Haumea (dwarf planet)PlutoCeres (dwarf planet)NeptuneUranusSaturnJupiterMarsEarthVenusMercury (planet)Astronomical unitAstronomical unitDwarf planetDwarf planetCometPlanet

ระยะห่างของวัตถุที่เลือกไว้ในระบบสุริยะจากดวงอาทิตย์ ขอบด้านซ้ายและด้านขวาของแต่ละแท่งแสดงถึงจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดและจุดไกลดวง อาทิตย์ที่สุด ของวัตถุตามลำดับ ดังนั้นแท่งยาวแสดงถึงความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจร สูง รัศมีของดวงอาทิตย์คือ 0.7 ล้านกิโลเมตร และรัศมีของดาวพฤหัสบดี (ดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุด) คือ 0.07 ล้านกิโลเมตร ซึ่งเล็กเกินกว่าจะมองเห็นได้ชัดเจนในภาพนี้

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.
  • การเปรียบเทียบภาพถ่ายดวงจันทร์จากจุดไกลสุดและจุดใกล้สุด
  • การเปรียบเทียบภาพถ่ายดวง อาทิตย์ ณ จุดไกลสุดจากดวง อาทิตย์ (Aphelion) และจุดใกล้สุดจากดวงอาทิตย์ (Perihelion)
  • โครงการดาราศาสตร์ การติดตามดาวเทียม และการวิจัยเชิงแสงของแคนาดา (CASTOR)
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Elliptic_orbit&oldid=1354637489 "

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 }