質問:
軌道の安定性
Unai Vivi
2020-04-05 00:09:46 UTC
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これが私の最初の質問です。私は宇宙愛好家ですが、天体力学を正式に理解していないので、次の仮定を前提として、軌道の摂動に対してどれほど安定しているかを尋ねたいと思います。

  • 軌道を回る質量はごくわずかです。対大規模な軌道中心
  • 大気、摩擦、スペースダストがない
  • 完全に剛体であるため、潮汐の心配がない
  • 太陽放射圧がない、ヤルコフスキー効果などはありません
  • ここに記載されていない不明瞭なファンキーな摂動はありません
  • オブジェクトは特定の高度で軌道上にあり、平衡に適した速度です

私の摂動は、内側または外側のどちらかを少しずつ動かすことです。軌道の中心に向けられた(または軌道から離れた)プロペラを短時間オンにします。

これのメカニズムは何ですか:オブジェクトは別の安定した軌道に落ち着くのでしょうか、それともそれでしょうかゆっくりと離れる/中央に衝突しますか?

私の素朴な理解は、内側に押すと(つまり、接線の速度を変更しないと)、オブジェクトが移動するということです。より近い潜在的な軌道に近づきますが、その速度は遅すぎて、クラッシュするまでスパイラルダウンします。一方、私が外側に押すと、オブジェクトの接線速度が速すぎるため、ドリフトしてしまいます。 em p>

私の(欠陥の可能性がある)推論によれば、すべての軌道は不安定です。つまり、丘の上の大理石のように、常にその平衡状態から「逸脱」する傾向があります。

* Space!*へようこそ。最初の質問は順調に進んでいます。読者がここに複数の質問があると誤って信じないように、いくつかの編集を行います。
これらすべての条件で、かなり安定しています。たとえば、下に少し動かすと、軌道は少し楕円形になりますが、落ちることはありません。もしそうなら、それは落下するにつれて速度を上げ、ズームアウトします。あなたがライフルを持って宇宙ステーションにいた場合、弾丸が軌道を外すのに十分な速さで進まないため、文字通り地球を撃つことができなかったと考えてください。しかし、非対称の質量や衛星などを追加すると、注意が必要になります。
それはあなたの質問に対する完全な答えではありませんが、この答えには低軌道への「ナッジ」の効果を示す「チートシート」が含まれていますhttps://space.stackexchange.com/a/12014/6944あなたの直感はそうではありません正確に言えば、放射状の「イン」バーンは近地点をバーンポイントに向かってシフトします。
二 答え:
Tom Spilker
2020-04-05 04:25:29 UTC
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あなたの質問は、あなたは天体力学に精通していませんが、物理学と天文学についてある程度の知識を持っていることを私に示しています。あなたは宇宙愛好家ですか? よろしくお願いします!!

あなたが説明する状況は、私たちが ケプラーの軌道 と呼んでいるものと非常によく一致しています。彼らの先駆者であるヨハネスケプラーは、1600年代初頭に出版しました。

他の重力体による摂動がない場合、「あいまいなファンキーな妨害」は禁止されていると思いますが、ケプラーの軌道は確かに安定しています。

あなたの推論はどこであなたを迷わせましたか?図の暗い線で示されているように、軌道を回っているオブジェクトが円軌道にあり、示されている方向に軌道を回っていると仮定します。大きな赤い矢印で、軌道を回るオブジェクトを瞬間的に穏やかに内側に動かし、実際にはそのポイントでの接線速度を変更しませんでした。

A circular Keplerian orbit (dark green) around a spherically symmetrical primary (blue), and the orbit after a vertically downward perturbation at the large red arrow

ただし、飛行経路の角度は、少しでも、赤い軌道上の小さな赤い矢印で示される角度に変更しました。オブジェクトはもはや水平方向に移動しておらず、少し下り坂に向かっています。オブジェクトが厳密に水平方向(円軌道)に移動しているとき、局所重力ベクトルは速度ベクトルに垂直でした。これらのベクトルが垂直である場合、オブジェクトの速度に変化はありません。 (速度はスカラー量、速度の大きさ、速度と方向の両方のベクトル量です)下り坂の場合は、 -地球上の丘を転がり落ちる何かの場合と同じように、速度ベクトルに平行な重力ベクトルの(小さな)成分があります。オブジェクトは加速します。つまり、その速度は時間とともに増加するため、摂動後も速度は一定に保たれません。この速度の変化は、プライマリの中心から半径が変化することによる重力ポテンシャルエネルギーの変化に対応します。下に行くほど速くなります。

高度の低下に伴うこの速度の増加により、軌道の曲率半径はその高度での円軌道の曲率半径よりも大きくなるため、軌道は最終的に90°離れた近地点で底に達します(摂動点からのプライマリの中心から測定されたように)。次に、図の下部に示されているように、摂動から180度離れた元の高度に戻り、同じ接線速度と同じ垂直速度で、下向きではなく上向きになります。

その垂直速度はオブジェクトをより高く運び、それはそれを減速させます。速度が低下すると、軌道の曲率半径が減少するため、摂動から270°の遠地点でピークに達し、下降を開始します。摂動から360°(1つの軌道)で、摂動の瞬間に、同じ速度、同じ飛行経路角度、同じすべてで、開始した場所に正確に戻ります。これは、無限に繰り返されます。

この軌道は、すべてのバインドされた(つまり、逃げない)ケプラー軌道と同様に、完全に安定しています。あなたがリストした制約を考えると、それはどんな種類の制御もなしに、永遠に示されている通りに正確に残ります。

摂動を小さくしない 場合、軌道速度のかなりの部分を言います、次に、オブジェクトをプライマリと衝突させることができます 。 「何かを十分に強く押すと、倒れます。」

画像を複雑にし始めると、惑星は球対称ではなく、惑星は回転し、他の重力体が関与します。軌道は完全な日光の下にあり、一部が日陰になっているなどです。これらの摂動により、軌道が進化し(時間とともに変化)、場合によっては、プライマリと衝突したり、システムから排出されたりします。軌道の進化は、も含めて、地球を周回するすべてのものに起こります。

あなたの答えはまさに私が全体像をつかむのを妨げた認知の結び目を解くために必要なものです:楕円軌道を知っていても、私の心は頑固に円軌道だけを考えていました、そしてナッジが私たちを別の円に動かすことができると仮定しました軌道または脱出/衝突。私が今理解しているように、円軌道から始めると、軌道面のどの方向にでも少しずつ動かすと、常に楕円軌道になります。これは、軌道力学の素晴らしさを深く掘り下げたいという突然の衝動に駆り立てられました...とても魅力的です!ありがとうございました
ありがとうございました!確かに私は軌道力学が魅力的だと思います。故ジョン・ブレイクウェルからのいくつかのコースの後、私にとって謎であった多くのことが照らされました!
まだ「魔法」を感じて私を困惑させ続けているのは、重力と速度のベクトルが垂直になる(そして速度が低下し始める)ポイントが正確に90°で発生し、遅かれ早かれではないという事実です。それは常に真実ですか、それともこの例のためだけですか?
@UnaiViviこの場合、最初の摂動インパルスは純粋に放射状であったため、たまたま90°になります。速度の接線成分は変更されませんでした。その摂動に接線成分がある場合、これはもはや当てはまりません。たとえば、摂動が純粋に接線方向であった場合(速度を上げるか下げるだけで、方向は変わりません)、後陣はインパルスが適用されたポイントから0°と180°になります。
@Kyleはまさにその通りです!
fyi [月のマスコンに着陸するのにいくらかかりますか?](https://space.stackexchange.com/q/43273/12102)と聞いて、あなたの画像を借りました。
@UnaiVivi,円は、楕円の特殊なケースにすぎません。 _すべての_軌道(比較的大きな体の周りの比較的小さな体の)は楕円軌道です。
Agerhell
2020-04-04 23:12:33 UTC
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つまり、太陽や惑星の周りの軌道上にあり、無限に多くの質量を含む小さな物体を考えている場合、この表現は次のようになります。

$ d \ bar {v} / dt =-{\ frac {GMm} {r ^ 2}} \ hat {r} $ span>

$と仮定\ bar {v} $ span>は、軌道を回るオブジェクトの速度ベクトルであり、 $ \ hat {r} $ span>は、軌道を回るオブジェクトを指す単位ベクトルです。惑星/太陽の質量の中心。

これはニュートンの古典的な重力の法則です。

どういうわけか、上記の方程式を分析的に解いて、軌道を回る物体が常に移動しなければならないことがわかります。惑星/太陽から逃げるのに十分な速度がない限り、楕円。

基本的に、太陽/惑星の重力から逃れるのに十分な強さでオブジェクトを押さないと、常に楕円の動きに従い、プッシュしたのとまったく同じポイントに戻ります。



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