กลศาสตร์วงโคจร: พลังงาน วงรี และสมการวิสไววา
Orbital mechanics and the vis-viva equation
อัปเดตล่าสุด
ทุกอย่างที่โคจรในอวกาศ ตั้งแต่ดาวเทียมไปจนถึงดาวหาง ทำตามกฎชุดเดียวกัน ความเร็ว ณ ตำแหน่งใดบนวงโคจรหาได้จากสมการเดียวที่เชื่อมระยะทางกับขนาดของวงโคจร
กฎของเคปเลอร์บอกว่าดาวเคราะห์โคจรเป็นวงรี กวาดพื้นที่เท่ากันในเวลาเท่ากัน และกำลังสองของคาบแปรตามกำลังสามของขนาดวงโคจร นิวตันแสดงว่ากฎทั้งสามมาจากกฎแรงโน้มถ่วงข้อเดียว บทความนี้ดูวงโคจรผ่านมุมมองของพลังงาน ซึ่งทำให้คำนวณหลายอย่างได้ง่ายมาก
รูปร่างของวงโคจร
วงรีกำหนดด้วยระยะกึ่งแกนเอก
ระยะจากโฟกัสถึงวงโคจรในแนวตั้งฉากกับแกนเอกเรียกว่ากึ่งลาตัสเรกตัม มีค่า
พลังงานบอกขนาดของวงโคจร
พลังงานรวมต่อหน่วยมวลของวัตถุที่โคจรรอบมวล
- พลังงานติดลบ คือวงรี วัตถุถูกยึดไว้
- พลังงานเป็นศูนย์ คือพาราโบลา วัตถุหนีออกไปได้พอดี ความเร็วเท่าความเร็วหลุดพ้น
- พลังงานเป็นบวก คือไฮเพอร์โบลา วัตถุผ่านมาครั้งเดียวแล้วจากไป เช่น วัตถุระหว่างดาวอย่างโอมูอามูอา
สมการวิสไววา
ความเร็วบนวงโคจร
จัดสมการพลังงานใหม่จะได้ความเร็วที่ตำแหน่งใดก็ได้บนวงโคจร
สมการเดียวนี้ใช้ได้กับวงกลม (
จากหลักพลังงานเดียวกันนี้ นักดาราศาสตร์คำนวณความเร็วของวัตถุได้ทุกตำแหน่งบนวงโคจร ยิ่งเข้าใกล้ดาวที่มันโคจรรอบยิ่งเคลื่อนที่เร็ว ยิ่งอยู่ไกลยิ่งช้า เช่น ดาวหางที่มีระยะใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดเป็นหนึ่งในเก้าของระยะไกลที่สุด จะเคลื่อนที่ที่จุดใกล้ที่สุดเร็วกว่าที่จุดไกลที่สุดถึงเก้าเท่า
กฎข้อที่สามของเคปเลอร์ฉบับเต็ม
สำหรับวัตถุสองชิ้นที่โคจรรอบกัน ทั้งคู่โคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลร่วม และคาบสัมพันธ์กับมวลรวม ที่ระยะเท่ากัน ยิ่งมวลรวมมากก็ยิ่งโคจรรอบกันเร็ว
ในหน่วยที่ใช้บ่อย (ปี หน่วยดาราศาสตร์ และมวลดวงอาทิตย์) สูตรนี้ลดรูปเป็น
ตัวอย่าง: ดาวเคราะห์น้อยที่ระยะ 2 ถึง 6 หน่วยดาราศาสตร์
ระยะกึ่งแกนเอกคือค่าเฉลี่ยของระยะใกล้สุดและไกลสุด
คำศัพท์ในบทความนี้
- vis-viva equationสมการวิสวิวา
- orbitวงโคจร
- ellipseวงรี
- semi-major axisกึ่งแกนเอก
- eccentricityความเยื้องศูนย์กลาง
- perihelionจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด
- aphelionจุดไกลดวงอาทิตย์ที่สุด
- barycenterจุดศูนย์กลางมวลร่วม
บทความที่เกี่ยวข้อง
- กฎของเคปเลอร์และแรงโน้มถ่วงของนิวตันจากข้อมูลการสังเกตดาวอังคารนานหลายสิบปี สู่กฎข้อเดียวที่อธิบายได้ทั้งลูกแอปเปิลที่ตกและดวงจันทร์ที่โคจร
- ความเร็วหลุดพ้น: ต้องเร็วแค่ไหนถึงหนีแรงโน้มถ่วงได้ถ้าขว้างลูกบอลขึ้นฟ้าแรงพอ มันจะไม่ตกกลับลงมาอีก ความเร็วขั้นต่ำนี้คือความเร็วหลุดพ้น ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมดวงจันทร์ไม่มีบรรยากาศ และทำไมหลุมดำจึงไม่ปล่อยแม้แต่แสงออกมา
- จรวดและการเดินทางในอวกาศ: สมการจรวดของซีออลคอฟสกีจรวดเคลื่อนที่ได้ด้วยการพ่นมวลออกไปทางด้านหลัง สมการง่าย ๆ ที่นักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซียเขียนไว้เมื่อกว่าร้อยปีก่อนอธิบายได้ว่าทำไมจรวดส่วนใหญ่เป็นเชื้อเพลิงเกือบทั้งลำ และทำไมการไปดาวเคราะห์อื่นต้องรอจังหวะเวลาที่เหมาะสม
- ดาวคู่: วิธีชั่งน้ำหนักดาวฤกษ์ดาวฤกษ์ราวครึ่งหนึ่งมีดาวคู่โคจรรอบกัน ระบบดาวคู่เป็นวิธีเดียวที่วัดมวลของดาวได้โดยตรง และเมื่อดาวสองดวงอยู่ใกล้กันมากพอ มันจะแลกเปลี่ยนมวลกัน สร้างปรากฏการณ์ที่น่าตื่นเต้นที่สุดบางอย่างในจักรวาล
- จุดลากรางจ์: ที่จอดรถในอวกาศในระบบที่วัตถุสองชิ้นโคจรรอบกัน มีห้าจุดที่วัตถุขนาดเล็กสามารถอยู่นิ่งเทียบกับทั้งสองได้ กล้องเจมส์เวบบ์จอดอยู่ที่จุดหนึ่ง ดาวเคราะห์น้อยทรอยหลายพันดวงรวมตัวกันอยู่ที่อีกสองจุด