Vzorce a recepty nebeské mechaniky
Transkript
Vzorce a recepty nebeské mechaniky
Vzorce a recepty nebeské mechaniky Verze 3.0 Petr Scheirich, 2004 http://nebmech.astronomy.cz Obsah 1 Úvod 1 2 Souřadnice na obloze 1 3 Pohyb po kuželosečce 4 4 Elipsa 6 5 Pohyb po elipse 7 6 Parabola 10 7 Pohyb po parabole 11 8 Hyperbola 13 9 Pohyb po hyperbole 14 10 Převod souřadnic na dráze na rovníkové či ekliptikální souřadnice 16 11 Problém 3 těles 18 12 Geografické a geocentrické souřadnice 19 1 Úvod Tato brožurka nemá být učebnicí nebeské mechaniky. Její první verze vznikla v roce 2001 z autorovy potřeby vytvořit kompaktní seznam vzorců používaných (nebo použitelných) při výpočtech pohybů a poloh vesmírných těles, aby je nebylo nutné neustále hledat v nejrůznější literatuře, či dokonce znovu odvozovat. Od čtenáře se předpokládá, že význam pojmů, které se v ní vyskytují, alespoň zhruba zná. Všem začátečníkům před jejím používáním doporučuji si nastudovat stránky http://nebmech.astronomy.cz, kde je vše srozumitelně vysvětleno. 2 Souřadnice na obloze Označení veličin: α – rektascenze (v tomto odstavci vždy v hodinách), t – hodinový úhel (v hodinách), δ – deklinace, h – výška nad obzor, A – výška nad obzorem, φ – zeměpisná šířka, λ – zeměpisná délka, Sm – místní hvězdný čas, Sg – Greenwichský hvězdný čas, S0 – Greenwichský hvězdný čas v 0 h UT, JD – Juliánské datum v 0 h UT, Tu – čas uplynulý od standardní epochy J2000,0 (JD 2451545,0) vyjádřený v juliánských stoletích, k – poměr středního slunečního dne a středního hvězdného dne, xA , yA , zA – pravoúhlé azimutální souřadnice (osa x míří k jihu, osa z k zenitu), xR , yR , zR – pravoúhlé rovníkové souřadnice (osa x míří k jarnímu bodu, osa z k sev. neb. pólu), l, b – ekliptikální souřadnice (délka a šířka), xE , yE , zE – pravoúhlé ekliptikální souřadnice (osa x míří k jarnímu bodu, osa z k sev. pólu ekliptiky), o – sklon ekliptiky k rovníku. 1 Převodní vztahy mezi veličinami: Tu = (JD − 2451545, 0)/36525, k = 1, 002737909350795 + 5, 9006 · 10−11 Tu − 5, 9 · 10−15 Tu2 , [6] S0 = 24110, 54841 + 8640184, 812866Tu + 0, 093104Tu2 − 6, 2 · 10−6 Tu3 , [6] Sg = S0 + kUT, Sm = S0 + kUT + λ/15. Sm = α + t. Obzorníkové souřadnice xA = cos h cos A, yA = cos h sin A, zA = sin h. zA , h = arctan q 2 xA + yA2 xA xA xA xA > 0 : A = arctan(yA /xA ) < 0 : A = arctan(yA /xA ) + 180◦ , = 0 a yA > 0 : A = 90◦ , = 0 a yA < 0 : A = 270◦ . Rovníkové souřadnice xR = cos δ cos(15α), yR = cos δ sin(15α), zR = sin δ. α, δ vypočteme z xR , yR a zR obdobně jako A, h z xA , yA , zA . Obzorníkové ↔ rovníkové souřadnice xA = xR cos H sin φ + yR sin H sin φ − zR cos φ, yA = xR sin H − yR cos H, 2 zA = xR cos H cos φ + yR sin H cos φ + zR sin φ, xR = xA cos H sin φ + yA sin H + zA cos H cos φ, yR = xA sin H sin φ − yA cos H + zA sin H cos φ, zR = −xA cos φ + zA sin φ, kde H = 15Sm . Ekliptikální souřadnice xE = cos b cos l, yE = cos b sin l, zE = sin b. l, b vypočteme z xE , yE a zE obdobně jako A, h z xA , yA , zA . Ekliptikální ↔ rovníkové souřadnice xR = xE , yR = yE cos o − zE sin o, zR = yE sin o + zE cos o, xE = xR , yE = yR cos o + zR sin o, zE = zR cos o − yR sin o, kde o = 23◦ 26′ 21, 448′′ − 46, 8150′′Tu − 0, 00059′′Tu2 + 0, 001813′′Tu3 = 23, 43929111◦ − 0, 013004166◦Tu − 0, 1638◦ · 10−6 Tu2 + 0, 5036◦ · 10−6 Tu3 [6] 3 3 Pohyb po kuželosečce Označení veličin: v – pravá anomálie (úhel mezi směrem k pericentru a směrem k danému bodu), u – úhlová rychlost (= dv/dt), e – numerická výstřednost dráhy (excentricita), p – parametr dráhy, G – univerzální gravitační konstanta, MS – hmotnost soustavy, M⊙ – hmotnost Slunce, r – vzdálenost od centra (ohniska), V – rychlost na dráze, γ – úhel směru rychlosti V (měřený ve stejném smyslu jako pravá anomálie v). x, y – souřadnice v rovině dráhy s počátkem v ohnisku a osou x mířící k pericentru, Vx , Vy – složky rychlosti na dráze v souřadnicích x, y, Vr – radiální složka rychlosti na dráze (ve směru průvodiče), Vt – kolmá složka rychlosti na dráze (kolmá k radiální), E – celková energie soustavy, 4 M – celkový moment hybnosti soustavy. Velikosti a jednotky konstant: G = 6, 672 · 10−11 Nm2 kg −2 [kg −1 m3 s−2 ] [1] Sluneční soustava: MS = 1, 9891 · 1030 kg, GMS = 1, 3271244 · 1020 m3 s−2 , = 2, 959122083 · 10−4 AU 3 d−2 , G = 2, 959122083 · 10−4 M⊙−1 AU 3 d−2 , GMZ = 398600, 44 · 109 m3 s−2 , GMM = 4902, 8 · 109 m3 s−2 , kde MZ je hmotnost Země a MM je hmotnost Měsíce. Převodní vztahy mezi veličinami: Veškeré vzorce v této a následujících kapitolách věnovaných pohybu v poli centrální síly platí pro souřadný systém s počátkem v jednom z těles. Chcemeli spočítané veličiny (s centrem v tělesu A) převést do těžišťového systému, transformujeme je podle vzorců: Pro délkové veličiny a rychlosti: a′ = a · mA /(mA + mB ); pro úhly: v ′ = v. (Čárkované veličiny jsou v těžišťovém systému) r= p 1 + e cos v x = r cos v = y = r sin v = r2u = (polární rovnice kuželosečky). p−r , e q r 2 e2 − (p − r)2 e . q GMS p (Keplerův zákon ploch), s s GMS GMS V = (1 + 2e cos v + e2 ) = (2p/r − 1 + e2 ), p p e + cos v γ = arctan − + 180◦ pro v ∈ (0◦ , 180◦ ), sin v 5 γ = arctan − s e + cos v sin v pro v ∈ (180◦, 360◦ ), s s GMS 2 2pr − p2 Vr = = e −1+ = −eVx , p r2 s s √ GMS GMS p GMS Vt = (1 + e cos v) = = (1 − e2 ) + eVy , p r p GMS e sin v p s GMS Vx = − sin v p Vy = s s GMS =− p GMS (e + cos v) p = s s p−r re 2 GMS re2 + p − r p re e2 − 1 E = GmA mB , 2p m2 m2 M 2 = A B Gp. MS 4 1− Elipsa Označení veličin: a – velká (hlavní) poloosa, e – numerická výstřednost (excentricita), b – malá (vedlejší) poloosa, 6 1 = − Vr , e 1 = Vt − e s GMS 1 − e2 . p e p – parametr, q – vzdálenost v pericentru, Q – vzdálenost v apocentru, r – vzdálenost od ohniska, v – pravá anomálie (úhel mezi směrem k pericentru a směrem k danému bodu). Převodní vztahy mezi veličinami: r= p 1 + e cos v (polární rovnice elipsy). s r p−r q p Q b2 p e= 1− 2 = 1− = = 1− = − 1 = − 1, a a r cos v a q a 2 2 b q q+Q Q p q a= = = = = = , 2 p 1−e 2 1+e 1−e 2q − p b2 q2 p= = a(1 − e2 ) = q(1 + e) = Q(1 − e) = 2q − = r(1 + e cos v), a a p q = a(1 − e) = , 1+e p Q = a(1 + e) = . 1−e 5 Pohyb po elipse (Viz obr. v sekci 3) Označení veličin: M – střední anomálie, E – excentrická anomálie, v – pravá anomálie, a – velká poloosa dráhy, e – numerická výstřednost (excentricita) dráhy, n – střední denní pohyb, G – univerzální gravitační konstanta, k – Gaussova gravitační konstanta (pro úhly vyjádřené v radiánech), kS – Gaussova gravitační konstanta pro úhly vyjádřené ve stupních, MS – hmotnost soustavy, r – vzdálenost od centra (ohniska), 7 V – rychlost na dráze, x, y – souřadnice v rovině dráhy s počátkem v ohnisku a osou x mířící k pericentru, Vx , Vy – složky rychlosti na dráze v souřadnicích x, y, Vr – radiální složka rychlosti na dráze (ve směru průvodiče), Vt – kolmá složka rychlosti na dráze (kolmá k radiální). Vp – rychlost v pericentru, Va – rychlost v apocentru, T – oběžná doba, t – čas, T0 – okamžik průchodu pericentrem. Velikosti a jednotky konstant: Sluneční soustava: k=0,01720209895 GMS = k 2 AU 3 d−2 , kS = k180/π = 0.985607614. Ostatní viz kapitola Pohyb po kuželosečce. Převodní vztahy mezi veličinami: T = 2π k= s a3 , GMS q GMS , n = ka−3/2 [rad] = kS a−3/2 [◦ ], M = n(t − T0 ), M0 = n(t0 − T0 ), M = n(t − t0 ) + M0 , E − e sin E = M (Keplerova rovnice, pro M, E v rad.), E − (180/π)e sin E = M (pro M, E ve stupních), cos E − e cos v = , 1 − e cos E e + cos v cos E = , e cos v + 1 √ 1 − e2 sin E , 1 − e cos E √ 1 − e2 sin v sin E = , e cos v + 1 sin v = 8 tan v 2 = s 1+e tan E2 . 1−e r = a(1 − e cos E), x = r cos v = a(cos E − e), √ y = r sin v = a 1 − e2 sin E. V = s GMS 2 1 − , r a rGMS , 2GMS − V 2 r s GMS 1 + e Vp = , a 1−e a= Va = s GMS 1 − e , a 1+e s s GMS sin E Vx = − a 1 − e cos E =− Vy = s Vr = s GMS e sin v a(1 − e2 ) Vt = s GMS (1 + e cos v) a(1 − e2 ) GMS (1 − e2 ) cos E a 1 − e cos E = GMS sin v, a(1 − e2 ) = v u u GMS t 9 GMS (e + cos v), a(1 − e2 ) 2ar − a2 (1 − e2 ) −1 r2 a = s q GMS a(1 − e2 ) r = s ! = −eVx , GMS (1 − e2 ) + eVy . a 6 Parabola Označení veličin: p – parametr, q – vzdálenost v pericentru, e = 1 – numerická výstřednost (excentricita), r – vzdálenost od ohniska, v – pravá anomálie (úhel mezi směrem k pericentru a směrem k danému bodu). Převodní vztahy mezi veličinami: r= p 1 + e cos v p q= , 2 cos v = = p 1 + cos v = 2q − 1. r 10 2q 1 + cos v = q , cos2 12 v 7 Pohyb po parabole (Viz obr. v sekci 3) Označení veličin: B, W – analogie střední anomálie, v – pravá anomálie, G – univerzální gravitační konstanta, k – Gaussova gravitační konstanta (pro úhly vyjádřené v radiánech), kS – Gaussova gravitační konstanta pro úhly vyjádřené ve stupních, MS – hmotnost soustavy, r – vzdálenost od centra (ohniska), V – rychlost na dráze, x, y – souřadnice v rovině dráhy s počátkem v ohnisku a osou x mířící k pericentru, Vx , Vy – složky rychlosti na dráze v souřadnicích x, y, Vr – radiální složka rychlosti na dráze (ve směru průvodiče), Vt – kolmá složka rychlosti na dráze (kolmá k radiální). Vp – rychlost v pericentru, T – oběžná doba, t – čas, T0 – okamžik průchodu pericentrem. Převodní vztahy mezi veličinami: B = q −3/2 (t − T0 ), v 1 v tan + tan3 2 3 2 = s GMS B 2 (Barkerova rovnice). Řešení Barkerovy rovnice: tan v2 = 2 cot γ = 1 − tan γ2 , tan γ2 kde q γ tan 2 = 3 tan β2 , 2 tan β = 3B s 2 . GMS 11 Některá literatura (např. [?]) definuje analogii střední anomálie (i Barkerovu rovnici) mírně odlišně, vše se ale liší pouze o konstanty: q W = 3· 3 tan v v + tan3 2 2 GMS /2 q 3/2 (t − T0 ), = W. Řešení Barkerovy rovnice: 2 , tan 2γ tan v2 = kde q tan γ = 3 tan β2 , 2 tan β = . W Další možností řešení (viz. [9]) je toto: tan v2 = Y − 1/Y, kde q √ 3 Y = G + G2 + 1, G = W/2. x = r cos v y = r sin v V = s = 2q tan v2 2GMS r Vx = −Vr Vy = Vt Vp = = q(1 − tan2 v2 ) s s = q = 2q − r, = 2 q(r − q). GMS (1 + cos v), q q 2GMS (r − q) s GMS =− =− sin v, r 2q s √ 2GMS q GMS = = (1 + cos v), r 2q 2GMS . q 12 8 Hyperbola Označení veličin: a – hlavní poloosa, e – numerická výstřednost (excentricita), b – vedlejší poloosa, p – parametr, q – vzdálenost v pericentru, r – vzdálenost od ohniska, v – pravá anomálie (úhel mezi směrem k pericentru a směrem k danému bodu), vm – maximální/minimální hodnota pravé anomálie, α – odchylka asymptot. Převodní vztahy mezi veličinami: r= p 1 + e cos v (polární rovnice hyperboly). s r b2 e= 1+ 2 = a −1 = cos vm 1+ p a = p−r r cos v 13 = q +1 a = p −1 q = 1 cos α2 b2 q p q2 = = 2 = p e−1 e −1 p − 2q 2 q2 b p= = a(e2 − 1) = q(e + 1) = + 2q a a p q = a(e − 1) = e+1 a= = r(1 + e cos v) α + |2vm | = 360◦ e cos α2 = 1 2 cos α = 2 − 1 e e cos vm = −1 cos vm = − cos α2 9 Pohyb po hyperbole (Viz obr. v sekcích 3 a 8) Označení veličin: M – analogie střední anomálie, H – analogie excentrické anomálie, v – pravá anomálie (úhel mezi směrem k pericentru a směrem k danému bodu), a – velká poloosa dráhy, e – numerická výstřednost (excentricita), n – analogie středního denního pohybu, G – univerzální gravitační konstanta, k – Gaussova gravitační konstanta, MS - hmotnost soustavy, r – vzdálenost od centra (ohniska), V – rychlost na dráze, x, y – souřadnice v rovině dráhy s počátkem v ohnisku a osou x mířící k pericentru, Vx , Vy – složky rychlosti na dráze v souřadnicích x, y, Vr – radiální složka rychlosti na dráze (ve směru průvodiče), Vt – kolmá složka rychlosti na dráze (kolmá k radiální). Vp – rychlost v pericentru, 14 V∞ – rychlost v nekonečnu (příletová nebo odletová), t – čas, T0 – okamžik průchodu pericentrem, 2θ – úhel odchýlení dráhy (odchylka vektorů příletové a odletové rychlosti), vm – maximální/minimální hodnota pravé anomálie, α – odchylka asymptot, d – impact parameter – vzdálenost, ve které by těleso prolétlo okolo centra, kdyby se pohybovalo po přímce bez gravitace. Převodní vztahy mezi veličinami: q k= GMS , n = ka−3/2 rad, M = n(t − T0 ), M0 = n(t0 − T0 ), M = n(t − t0 ) + M0 , e sinh H − H = M. cosh H − e , cos v = 1 − e cosh H e + cos v cosh H = , e cos v + 1 tan v 2 = s √ e2 − 1 sinh H , e cosh H − 1 √ sin v e2 − 1 sinh H = , e cos v + 1 sin v = 1+e tanh H2 . 1−e q (1 − e cosh H), 1−e q x = r cos v = (e − cosh H), 1s− e e+1 y = r sin v = q sinh H, e−1 r= V = s a= rGMS , −2GMS + V 2 r GMS 2 1 + r a = v u u tGM S 15 2 e−1 + , r q ! Vp = s GMS e+1 , q s s GMS (e − 1) sinh H Vx = − q e cosh H − 1 Vy = s Vr = s Vt = s =− GMS (1 + e) cosh H (1 − e) q e cosh H − 1 GMS e sin v q(e + 1) = GMS (1 + e cos v) q(e + 1) v u u tGM = s GMS (e + cos v), q(e + 1) e − 1 2r − q(e + 1) + q r2 S = GMS sin v, q(e + 1) q GMS q(e + 1) r = s ! = −eVx , GMS (1 + e) (1 − e) + eVy . q θ = 90◦ − α2 , vm = 90◦ + θ. e sin θ = 1, GMS d= cot θ V∞2 V∞ = s q = cot θ e−1 =q GMS (e − 1) , q v u u 1 GMS d q = − 2 + GMS t 4 + V∞ V∞ GMS e= 10 v u u t s dV∞2 1+ GMS !2 !2 e+1 , e−1 , . Převod souřadnic na dráze na rovníkové či ekliptikální souřadnice Označení veličin: x, y – souřadnice tělesa na dráze vyjadřéné v soustavě s počátkem v centrálním tělese a osou X mířící k pericentru (jejich výpočet viz sekce 5, 7 a 9), 16 Xr , Yr , Zr – souřadnice tělesa v pravoúhlé rovníkové soustavě. Počátek soustavy je v centrálním tělese, osa X míří k jarnímu bodu, rovina XY je rovnoběžná s rovinou zemského rovníku, Xe , Ye , Ze – souřadnice tělesa v pravoúhlé ekliptikální soustavě. Počátek soustavy je v centrálním tělese, osa X míří k jarnímu bodu, rovina XY je rovnoběžná s rovinou ekliptiky, Pr1 , Pr2 , Pr3 , Qr1 , Qr2 , Qr3 – směrové kosiny dráhy v rovníkové soustavě, Pe1 , Pe2 , Pe3 , Qe1 , Qe2 , Qe3 – směrové kosiny dráhy v rovníkové soustavě, i – sklon dráhy k ekliptice, ω – argument délky perihelia dráhy, Ω – délka výstupného uzlu dráhy, o – sklon ekliptiky k rovníku (viz sekce 2). Význam veličin: Pi jsou složky jednotkového vektoru P mířícího od centra do směru pericentra (směr osy x souřadnic na dráze), vyjádřené v ekliptikální nebo rovníkové souřadnicové soustavě. Qi jsou složky vektoru kolmého na P a ležícího na dráze (směr osy y souřadnic na dráze), vyjádřené v ekliptikální nebo rovníkové souřadnicové soustavě. Převodní vztahy mezi veličinami: Pr1 = A1 cos ω + A2 sin ω, Pr2 = B1 cos ω + B2 sin ω, Pr3 = C1 cos ω + C2 sin ω, Qr1 = A2 cos ω − A1 sin ω, Qr2 = B2 cos ω − B1 sin ω, 17 Qr3 = C2 cos ω − C1 sin ω, kde A1 = cos Ω, A2 = − cos i sin Ω, B1 = sin Ω cos o, B2 = cos i cos Ω cos o − sin i sin o, C1 = sin Ω sin o, C2 = cos i cos Ω sin o + sin i cos o. Pe1 = cos ω cos Ω − sin ω sin Ω cos i, Pe2 = cos ω sin Ω + sin ω cos Ω cos i, Pe3 = sin ω sin i, Qe1 = − sin ω cos Ω − cos ω sin Ω cos i, Qe2 = − sin ω sin Ω + cos ω cos Ω cos i, Qe3 = cos ω sin i. Xr = Pr1 x + Qr1 y, Yr = Pr2 x + Qr2 y, Zr = Pr3 x + Qr3 y, Xe = Pe1 x + Qe1 y, Ye = Pe2 x + Qe2 y, Ze = Pe3 x + Qe3 y. 11 Problém 3 těles Označení veličin: Rp – sféra gravitačního vlivu planety (vůči Slunci), Mp – hmotnost planety, D – vzdálenost mezi Sluncem a planetou, M⊙ – hmotnost Slunce. 18 Převodní vztahy mezi veličinami: Mp Rp = D M⊙ 12 !2/5 . Geografické a geocentrické souřadnice (pro Zemi jako rotační elipsoid) [7], [8] Označení veličin: ϕ – geografická šířka, h – nadmořská výška, ϕ′ – geocentrická šířka, ρ – vzdálenost od středu Země, a – rovníkový poloměr Země, b – polární poloměr Země, x, z – pravoúhlé geocentrické souřadnice, f – zploštění zemského elipsoidu, e – excentricita zemského elipsoidu. Velikosti konstant: a = 6 378 137 m (WGS 84), [8] 19 f = 1/298.257 223 563 (WGS 84), b = 6 356752 m. Převodní vztahy mezi veličinami: b = a(1 − f ), a−b f= , a e2 = 2f − f 2 , x = ρ cos ϕ′ z = ρ sin ϕ′ kde = (aC + h) cos ϕ, = (aS + h) sin ϕ, 1 C=q , cos2 ϕ + (1 − f )2 sin2 ϕ S = (1 − f )2 C. Geografické (ϕ, h) → geocentrické (ϕ′ , ρ) souřadnice: Pro h = 0 : tan ϕ′ = (b/a)2 tan ϕ. Pro h 6= 0 : tan u = (b/a) tan ϕ, b sin u + h sin ϕ s= , a h cos ϕ c = cos u + , a s b sin u + h sin ϕ tan ϕ′ = = , c a cos u + h cos ϕ √ ρ = a s2 + c2 . Geocentrické (ϕ′ , ρ) → geografické (ϕ, h) souřadnice: Z ρ a ϕ′ spočteme x, z, ϕ počítáme iterační metodou: 20 ϕ1 = arctan(z/x), ! z + aCe2 sin ϕn ϕn+1 = arctan , x kde 1 . C=q 1 − e2 sin2 ϕn Proces opakujeme, dokud se hodnoty ϕn+1 a ϕn od sebe neliší méně, než je požadovaná přesnost. Pak h= x − aC. cos ϕ Reference [1] Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy, SPN, Praha, 1988 [2] Astronomy on the Personal Computer, O. Montenbruck, T. Pfleger, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1989 [3] Základy nebeské mechaniky, P. Andrle, Academia, Praha, 1971 [4] Malá encyklopedie kosmonautiky, P. Lála, A. Vítek, Mladá fronta, Praha, 1982 [5] Základy astronomie a astrofyziky, V. Vanýsek, Academia, Praha, 1980 [6] Astronomická příručka, M. Wolf a kol., Academia, Praha, 1992 [7] Astronomické algoritmy pro kalkulátory, Zdeněk Pokorný, Hvězdárna a planetárium hl. m. Prahy [8] The Astronomical Almanac for the Year 1995, US Naval Observatory, Royal Greenwich Observatory, 1994 [9] Astronomical algorithms, Jean Meeus, Willmann-Bell, Inc., Richmond, 1991 21
Podobné dokumenty
Keplerova rovnice
Dokázali jsme tedy, že body La a Lb mají společný průvodič. Jeho odchylka E od kladně
orientované osy x (tedy od průvodiče pericentra) se nazývá excentrická anomálie
bodu. Při pohybu bodu L po elip...
CASE pro podporu databází
technologií. Právě CASE nástroje nám umožňují vytvořit kvalitní datový model jako východisko pro
použitelnou datovou architekturu. Proto jsme si zvolili tématem naší práce Podporu CASE při
vytvářen...
2009 - Nadace mezinárodní lékařské pomoci
Vaše pomoc mění lidské životy
Sama si nebyla jistá, kolik jí je let, ale na první pohled nám bylo jasné, že je jí více než 80 let.
Kutonho žije se svojí dcerou v Manyika, oblasti, která byla velmi ...