38
Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik ) , , ( z y x ) , , ( Z Y X

Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Today’s topic:

Some Celestial Mechanics

F

),,( zyx),,( ZYX

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 2: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Coordinate systems

Cartesian coordinates

z

x

y

xe

ye

ze

Unit vectors areorthogonal with norm 1

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 3: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Cylindrical coordinates

x

z

e y

z

eze

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 4: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Vector- och scalar product in cylindrical coordinates

)1,0,0(ze

)0,cos,sin( e

)0,sin,(cos e

e

e

e

cos

sin

sin

cos

x

y

eee

eee

eee

z

z

z

Orthogonal

Right hand system

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 5: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Spherical coordinates

z

x

ye

e

re

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 6: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

FrT

dt

pdF

vmrprL

TFrvmvdt

pdrp

dt

rd

dt

prd

dt

Ld

0

)(

2

2

dt

rdmF Force law

Torque

Angular momentum

gives:

Introductory mechanics

vmr

L

Fr

T

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 7: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

The angular momentum is constant in a central force field...

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

A quantity that does not change with time, i.e. our case does not change along the trajectory of a planet is called a:

CONSTANT OF MOTION

If we can find a quantity whose time derivative is zero that quantity is a constant of motion.

Page 8: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Tdt

Ld

Central force

r

0T

FrT

F

constant0 Ldt

Ld

r x p is orthogonal to r, i.e. r is orthogonal to L which is constant.

0)( prrLr

1 Angular momentum is a constant of motion

2. Motion is in a plane

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 9: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

In order write down the equations of motion we need the acceleration in cylindrical

coordinates.

This problem relies on the calculus you learn in math class!

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 10: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Velocity in cylindrical coordinates

),sin,cos( zr

),cossin ,sincos(),sin,cos( zzdt

d

dt

rd

),0,0()0,cos,sin()0,sin, (cos z

Motion in the plane due to central force 0z

eedt

rd )cos,sin()sin, (cos

Radial velocity Angular velocity

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 11: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

In the same way… acceleration in cylindrical coordinates

eedt

rd )cos,sin()sin, (cos

)()(2

2

edt

dee

dt

deee

dt

d

dt

rd

)( edt

deee

dt

de

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

and also using the same method we can derive

Page 12: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Acceleration in cylindrical coordinates

edt

de

dt

doch

edt

de

dt

d )cos,sin()sin,(cos

)0,cos,sin( e

)0,sin,(cos e

Look at this at home!

Page 13: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Acceleration in cylindrical coordinates

)(2

2

edt

deee

dt

de

dt

rd

eeeeedt

rd 22

2

Ins. from above gives that we have TWO components

ee )2()( 2

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 14: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Equations of motion in the central force system

2

2

dt

rdmF ),,(),,( zyxmFFF zyx

this can also be written as:

))2()(( 2zzz ezeemeFeFeF

eedt

rd)2()( 2

2

2

with the acceleration in the plane

00 0

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 15: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Equations of motion in the plane in cylindrical coordinates

emeF )( 2

em )2(0

02

)2(1

)(1 22

dt

d

Depends explicitly on the force

Can be integrated without defining F

Now, we note that

0)( 2 dt

d

i.e.

Which gives

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 16: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Sector velocity

y

x

d

ddA 2

1dA

22

2

1

2

1

dt

d

dt

dA

zem 2

m

L

dt

dA

2konstant

2

1 02

Kepler’s second law

2ml 2m

l

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 17: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Rho direction:Equations of motion in the plane in cylindrical coordinates

emeF )( 2

)( 2 mF

2m

l24

22

2 m

l

m

l

The angular momentum can be used to switch between rho and phi!

since

)(24

2

m

lmF

m

lmF

3

2

We have

Substitution gives:

We have two functions oftime, rho and phi. We want ONE!

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 18: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

The energy is a second constant of motion...

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 19: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

A second constant of motion

A conservative force, i.e. a force with potential

Vd

dF

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

WHY of interest?

Examples of such forces?

Page 20: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

A second constant of motion

m

lmF

3

2

Vd

dF

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

How to get a first order time derivative out of this?

Page 21: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

A second constant of motion

)2

(2

2

m

lV

d

dm

dt

d

We think of the chain rule again and multiply by

)2

(2

2

m

lV

d

d

dt

d

dt

dm

)

2(

2

2

m

lV

dt

dm

These are equal

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 22: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

in the eq. below

)2

(2

2

m

lV

dt

dm

mm

dt

d)

2

1( 2

)2

()2

1(

2

22

m

lV

dt

dm

dt

d

0)

22

1(

2

22

m

lVm

dt

d

We now have time derivatives on both sides of this equation!

i.e.

Continue by looking at the left hand side

l.h can be written

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Look at this at home!

Page 23: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

22

2

22

2

242

2

2

ρm

m

l

2m

l

Kinetic energy from radial motion

From L constant we have (still)

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Potential energy

Kinetic energy from motion in phi

Lets identify the terms!

Page 24: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Solving the equations of motion

One can now either try to integrate with respect to the time, t, or, one can solve with respect to the angle.

Two steps for a ”straightforward” solution.

1. Transform equation to be distance rho as function ofthe angle phi instead of time.

2. Make a 1/rho substitution to create a standard linear diff. eq. with constant coefficients.

m

lmF

3

2

2

kF

m

lm

k3

2

2

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 25: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Solving the equations of motion

From second order time derivative to second order derivative in phi:

2m

l 2ml dmldt 2 d

d

m

l

dt

d2

)()(2222

2

d

d

m

l

d

d

m

l

d

d

m

l

dt

d

dt

d

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Apply it two times

Page 26: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

23

2

22)(

k

m

l

d

d

m

l

d

dl

At this point we have

d

d

d

d )/1(12

but

232

2 )( kum

ul

d

du

m

l

d

dlu

2

32

2

222

kum

ul

d

ud

m

ul

/1u

Binet!

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 27: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Solving the equations of motion

Binet’s equation for the kepler case (1/r2 )

22

222

)( kuud

ud

m

ul

22

2

)(l

kmu

d

ud

2)cos(l

kmAu

Second order diff equation. (solve with characteristic equation!)

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 28: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Different orbits

2)cos(l

kmAu

Reference direction when α is zero

)cos1()cos1(1

2

2

2

e

l

km

km

lA

l

km

)cos1(

12

ekm

l

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 29: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Different orbits

Investigate in the project!

)cos1(

12

ekm

l

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 30: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Other thoughts:

Which velocity, in which direction, will give circular orbit?

Is there a maximum velocity for a planet to stay in a closed orbit around the Sun?

If the velocity is below the escape velocity, how does different start angles influence the shape of the orbit? Can you create ellipses and circles from the same starting speed?

If a small planet passes close by another planet (e.g. an elliptic orbit that passes close to a jupiter like planet) what will happen. Why? (Voyager slingshots).

If we integrate what should be a closed orbit with bad precision what will happen?

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 31: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Orbital motionρ(t)

Ekonstant22

1 222 Vm

m

)2

(2

2

2

Em

lk

m

d

Emlk

m

dt

)2

(2

12

0

2

)2

(

1

2d

Emlk

mt

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 32: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Orbital motionρ(t)

0

2

)2

(

1

2d

Emlk

mt

This integral can in principle be solved t(ρ) but its inversion ρ(t) is not possible in ”simple functions”. The same is true for the angle as a function of time.

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 33: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Extra

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 34: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Mean anomaly (ohmega constant, if e=0)

Actual angle = true anomaly)

Variable substitution...

)cos1( ea

a

Half major axis

Eccentric anomaly

a

tt

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 35: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

After this substitution...

0

3

)cos1( dek

mat

Kepler’s third law (can also be found from geometrical considerations)

k

made

k

ma 2/32

0

3

2)cos1(

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 36: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

)sin()cos1(3

0

3

ek

made

k

mat

3

2

ma

k

sinet Kepler’s equation

)cos1( ea How find ρ(t)?

Only numerical solution

Gives ρ for this t!

Generally at time t

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 37: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Two body problem

For two interacting bodies the mass above is substituted by the so-called reduced mass

21

21

mm

mm

Three body problem...

Many tried to solve it (Poincare and others) but no solutionexists in simple analytical form. Power series expansions exist.The problem has a very interesting background story. As an example, find and read on your own the story behind the Mittag-Leffler prize.

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

Page 38: Today’s topic: Some Celestial Mechanics F Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik

drdzddV 2

1

Notera att volymelementet i cylinderkoordinater är:

x

z

d

d

dz

y

Numeriska beräkningar i Naturvetenskap och Teknik