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Keplerの法則

  1. 惑星の軌道は太陽と一つの焦点とする楕円である
    背景:
    1. 天動説から地動説へ→コペルニクス的転回
    2. しかし、円軌道を仮定すると、火星の運動を説明できなかった
    3. 「完全」である「円」を破棄し、楕円とした

    \begin{figure}
\epsfxsize =0.5\hsize
\epsfbox{elliptic.eps}
\end{figure}

    $F$:
    焦点
    $a$:
    長半径
    $b$:
    短半径
    $e\equiv$
    $\sqrt{1-\left(\frac{b}{a}\right)^2}$: 離心率
    楕円の中心から焦点までの長さ: $ae$
    楕円の方程式: $\displaystyle{\left(\frac{x}{a}\right)^2+\left(\frac{y}{b}\right)^2=1}$
    円のとき、 $a=b=r  \Rightarrow x^2+y^2=r^2$

  2. 面積速度一定の法則
    観測データを解析した結果、「太陽と惑星を結ぶ線分が一定時間に掃く 面積は一定である」という結論を得た

    \begin{figure}
\epsfxsize =0.5\hsize
\epsfbox{area_velocity.eps}
\end{figure}

    物理的には、角運動量保存則に対応。

    運動エネルギー $T=\frac{1}{2}mv^2$
    運動量 $\mbox{\boldmath$p$}=m\v $
    角運動量 ${\L }=m\r\times\v $
    $\times$: 外積 $\leftrightarrow$ 内積($\cdot$)
    \begin{figure}
\epsfxsize =0.5\hsize
\epsfbox{vector_product.eps}
\end{figure}


    \begin{displaymath}
\mbox{\boldmath$a$}\cdot\b =a_x b_x + a_y b_y = ab\cos\theta
\end{displaymath}


    \begin{displaymath}
\mbox{\boldmath$a$}\times\b =(a_x b_y-a_y b_x)\hat{\mbox{\boldmath$z$}}=ab\sin\theta\hat{\mbox{\boldmath$z$}}
\end{displaymath}

    ( $\mbox{\boldmath$a$}, \b $が$xy$平面内の場合)

    $\Longrightarrow$ $\mbox{\boldmath$a$}\parallel\b $なら、 $\mbox{\boldmath$a$}\times\b =0$.


    \begin{displaymath}
\frac{\d\L }{\d t}=m\frac{\d\r }{\d t}\times\v +m\r\times\f...
...,3){$\cdot$}
\put(6,4){\circle{14}}
\end{picture}\v\times\v =0
\end{displaymath}

    いま、 $\r\parallel\mbox{\boldmath$F$}$なので( $\mbox{\boldmath$F$}=-\frac{GMm}{r^2}\hat{\r }$)、

    \begin{displaymath}
\frac{\d\L }{\d t}=0  \Longrightarrow  \L ={\rm const.  (角運動量保存)}
\end{displaymath}

    \begin{figure}
\epsfxsize =0.5\hsize
\epsfbox{angular_momentum.eps}
\end{figure}

    ここで面積速度は $\displaystyle{\frac{\d S}{\d t}}$である。すると、

    \begin{displaymath}
\Delta S \simeq \frac{1}{2}\left\vert\r\times\v\Delta t\right\vert
\end{displaymath}


    \begin{displaymath}
\Longrightarrow \frac{\Delta S}{\Delta t}\simeq\frac{\d S}{...
...vert\r\times\v\right\vert=\frac{1}{2}\vert\L\vert={\rm const.}
\end{displaymath}


    \begin{displaymath}
\setlength{\unitlength}{1pt}
\thinlines \begin{picture}(1...
...ure}   \frac{\d S}{\d t}={\rm const.,  つまり、面積速度一定//}
\end{displaymath}

    \begin{figure}
\epsfxsize =0.5\hsize
\epsfbox{area_velocity2.eps}
\end{figure}

  3. 軌道長半径の3乗が公転周期の2乗に比例(調和の法則)… $a^3\propto T^2$

    簡単のため、円軌道を仮定する

    力のつりあい(万有引力=遠心力)より、

    \begin{displaymath}
\frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}=mr\dot{\theta}^2=mr\omega^2,  v=r\omega
\end{displaymath}

    あるいは、運動方程式(ただし$\ddot{r}=0$)より、

    \begin{displaymath}
m(-r\omega^2)=-\frac{mv^2}{r}=-\frac{GMm}{r^2}
\end{displaymath}

    これより、

    \begin{displaymath}
rv^2=GM.
\end{displaymath}

    いま、周期$T$は、

    \begin{displaymath}
T=\frac{2\pi r}{v}\left(=\frac{2\pi}{\omega}\right)
\end{displaymath}

    であるから、

    \begin{displaymath}
v=\frac{2\pi r}{T}
\end{displaymath}

    これらより、

    \begin{displaymath}
rv^2=\frac{4\pi^2 r^3}{T^2}=GM
\end{displaymath}


    \begin{displaymath}
\Longrightarrow r^3\propto T^2.
\end{displaymath}

    いま、地球は1年で1周し、軌道半径は1AUなので、

    \begin{displaymath}
\left(\frac{r}{\rm AU}\right)^3=\left(\frac{T}{\rm yr}\right)^2
\end{displaymath}

    と書ける。


\begin{itembox}[l]{\fbox{宿題}}
\begin{itemize}
\item[問1] $G=6.7\times 10^{-11...
...亮�
量と比較し、どれくらいの誤差で求まったか調べよ。
\end{itemize}\end{itembox}

なお、運動方程式

\begin{displaymath}
m\frac{\d ^2 r}{\d t^2}=-\frac{GMm}{r^2}
\end{displaymath}

より、

\begin{displaymath}
m\frac{r}{T^2}\sim \frac{GMm}{r^2}
\end{displaymath}


\begin{displaymath}
\Rightarrow~\frac{r^3}{T^2}\sim GM
\end{displaymath}


\begin{displaymath}
\Rightarrow~r^3\propto T^2
\end{displaymath}

と理解することができる。


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NAGASHIMA Masahiro 2009-12-08