tovább fel vissza

Elméleti fizika I.

Bene Gyula
Eötvös Loránd Tudományegyetem, Elméleti Fizikai Tanszék
1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A
4. hét keddi előadás


Mozgás tömegpont gravitációs terében (folytatás)
Az $1/r$-rel arányos potenciális energiájú centrális centrális erőtérben mozgó tömegpont pályájának egyenlete $$r=\frac{p}{1+\epsilon\cos\varphi}\;,$$ ahol $$p=\frac{N^2}{Gm^2M}$$ a pálya paramétere és $\epsilon=K\;p$ a pálya excentricitása. Ez kúpszelet egyenlete,

Miért kúpszelet a pálya? Alternatív levezetés: $$v_\varphi=\frac{N}{mr}$$ és $$E=\frac{m}{2}v^2-\frac{GmM}{r}$$ az impulzusmomentum és az energia megmaradása alapján. Legyen a pálya érintőjének a helyvektorral bezárt szöge $\psi$. Ekkor $$\frac{v_\varphi^2}{v^2}=\sin^2\psi=\frac{\frac{N^2}{m^2}\frac{1}{r^2}}{\frac{2E}{m}+\frac{2GM}{r}}$$ Másrészt a pálya $r(\varphi)$ egyenletével kifejezve $${\rm ctg}\psi=\frac{1}{r}\frac{dr}{d\varphi}\;,$$ kúpszelet esetén ebből $${\rm ctg}\psi=\frac{\epsilon\sin\varphi}{1+\epsilon\cos\varphi}$$ ill. $$\sin^2\psi=\frac{1}{1+{\rm ctg}^2\psi}=\frac{(1+\epsilon\cos\varphi)^2}{\epsilon^2-1+2(1+\epsilon\cos\varphi)}=\frac{\frac{p^2}{r^2}}{\epsilon^2-1+\frac{2p}{r}}$$ $\sin^2\psi$ két kifejezését összevetve látható, hogy az $r$-függés ugyanolyan, a pálya tehát kúpszelet. Az együtthatók arányából $p$ és $\epsilon$ kifejezhetők az energiával és az impulzusmomentummal:
$\begin{eqnarray} p&=&\frac{N^2}{Gm^2M}\\ \epsilon&=&\sqrt{1+\frac{2E}{m}\left(\frac{N}{GmM}\right)^2} \end{eqnarray}$


Ellipszispálya esetén a fordulópontok $$r_{1,2}=\frac{p}{1\pm \epsilon}$$ Ebből $$\epsilon=p\frac{\xi_1-\xi_2}{2}=\sqrt{1+2mE\left(\frac{N}{Gm^2M}\right)^2}$$ (az összefüggés parabola és hiperbolapályára is érvényes)
Az ellipszis adatai: Keringési idő: $$T=\frac{\pi a b}{N/(2m)}=\pi a\sqrt{\frac{2m}{|E|}}=\frac{2\pi a^{3/2}}{\sqrt{GM}}\;,$$ mivel $\pi a b$ az ellipszis területe és $N/(2m)$ az állandó területi sebesség.
Másképpen: a keringési idők négyzetei úgy aránylanak egymáshoz, mint a Naptól mért középtávolságok köbei. (Kepler harmadik törvénye)

A pálya paramétere: $$p=\frac{2}{\xi_1+\xi_2}=\frac{N^2}{Gm^2M}$$
A pálya excentricitása: $$\epsilon=\frac{\xi_1-\xi_2}{\xi_1+\xi_2}=\sqrt{1+2mE\left(\frac{N}{Gm^2M}\right)^2}$$ Ellipszispálya esetén ($E<0$)
nagytengely:

Levezetés a centrális erőterek általános formuláiból:
$\begin{eqnarray}\varphi&=&\varphi_0+\int_{r_1}^{r}\frac{\frac{N}{mr^2}dr}{\sqrt{\frac{2}{m}\left(E-V_{eff}\right)}}=\varphi_0+\int_{r_1}^{r}\frac{\frac{N}{mr^2}dr}{\sqrt{\frac{2}{m}\left(E+G\frac{mM}{r}-\frac{N^2}{2mr^2}\right)}}=\varphi_0+\int_{r_1}^{r}\frac{\frac{N}{mr^2}dr}{\sqrt{\frac{2E}{m}+\frac{2GM}{r}-\frac{N^2}{m^2r^2}}}\\ &=&\varphi_0+\int_{r_1}^{r}\frac{\frac{1}{r^2}dr}{\sqrt{\frac{2mE}{N^2}+\frac{2Gm^2M}{N^2}\frac{1}{r}-\frac{1}{r^2}}} =\varphi_0+\int_{\xi_1}^{\xi}\frac{-d\xi}{\sqrt{\frac{2mE}{N^2}+\frac{2Gm^2M}{N^2}\xi-\xi^2}}=\varphi_0-\int_{\xi_1}^{\xi}\frac{d\xi}{\sqrt{(\xi_1-\xi)(\xi-\xi_2)}} \end{eqnarray}$
Az integrál kiszámítása:
A gyök alatti kifejezésben az első- és másodfokú tagokat teljes négyzetté alakítjuk:
$\begin{eqnarray}(\xi_1-\xi)(\xi-\xi_2)&=&-\xi^2+(\xi_1+\xi_2)\xi-\xi_1\xi_2=-\left(\xi-\frac{\xi_1+\xi_2}{2}\right)^2+\left(\frac{\xi_1+\xi_2}{2}\right)^2-\xi_1\xi_2\\&=&\left(\frac{\xi_1-\xi_2}{2}\right)^2-\left(\xi-\frac{\xi_1+\xi_2}{2}\right)^2=\left(\frac{\xi_1-\xi_2}{2}\right)^2\left[1-\left(\frac{\xi-(\xi_1+\xi_2)/2}{(\xi_1-\xi_2)/2}\right)^2\right] \end{eqnarray}$
Új változó: $$u=\frac{\xi-(\xi_1+\xi_2)/2}{(\xi_1-\xi_2)/2}$$ Ezzel $$\int_{\xi_1}^{\xi}\frac{d\xi}{\sqrt{(\xi_1-\xi)(\xi-\xi_2)}}=\int_1^u\frac{du \;(\xi_1-\xi_2)/2}{(\xi_1-\xi_2)/2\sqrt{1-u^2}}=\int_1^u\frac{du}{\sqrt{1-u^2}}=-\arccos u=-\arccos{\left(\frac{\xi-(\xi_1+\xi_2)/2}{(\xi_1-\xi_2)/2}\right)}$$ Tehát $$\varphi=\varphi_0+\arccos{\left(\frac{1/r-(\xi_1+\xi_2)/2}{(\xi_1-\xi_2)/2}\right)}$$ Ha $E<0$ és ennek megfelelően két fordulópont van, az egyik fordulóponttól a másik fordulópontig éppen $\pi$ a szög változása, tehát a pálya zárt görbe. Ez az $1/r$-es potenciál sajátossága. Ugyanez a helyzet $r^2$-es potenciálnál (térbeli harmonikus oszcillátor). Egyéb esetekben a pálya általában nem záródik. Ha eltérés van az $1/r$-es potenciáltól (v.ö. általános relativitáselmélet, $1/r^3$ korrekció), akkor perihélium-elfordulás történik.

Legyen $\varphi_0=0$ (napközelben ekkora a szög). Ekkor $$\frac{1/r-(\xi_1+\xi_2)/2}{(\xi_1-\xi_2)/2}=\cos\varphi$$ és $$r=\frac{1}{(\xi_1+\xi_2)/2+((\xi_1-\xi_2)/2)\cos\varphi}=\frac{2/(\xi_1+\xi_2)}{1+\frac{\xi_1-\xi_2}{\xi_1+\xi_2}\cos\varphi}=\frac{p}{1+\epsilon\cos\varphi}$$ Ez kúpszelet (kör, ellipszis, parabola vagy hiperbola) egyenlete.
A pálya paramétere: $$p=\frac{2}{\xi_1+\xi_2}=\frac{N^2}{Gm^2M}$$
A pálya excentricitása: $$\epsilon=\frac{\xi_1-\xi_2}{\xi_1+\xi_2}=\sqrt{1+2mE\left(\frac{N}{Gm^2M}\right)^2}$$ Ellipszispálya esetén ($E<0$)
nagytengely: $$a=\frac{1}{2}\left(r_1+r_2\right)=\frac{r_1r_2}{2}\left(\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2}\right)=\frac{\xi_1+\xi_2}{2\xi_1\xi_2}=\frac{GmM}{2|E|}$$
kistengely: $$b=\sqrt{r_1r_2}=\frac{N}{\sqrt{2m|E|}}$$ Keringési idő: $$T=\frac{\pi a b}{N/(2m)}=\pi a\sqrt{\frac{2m}{|E|}}=\frac{2\pi a^{3/2}}{\sqrt{GM}}$$ Mivel $\pi a b$ a pálya által körbefogott terület és $N/(2m)$ a területi sebesség.
tovább fel vissza
bene@arpad.elte.hu