Efeito determinante da força variável pequena na precessão planetária do periélio


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Existe uma técnica analítica para determinar o efeito de uma pequena aceleração transversal variável sobre a taxa de precessão de aspides (estritamente não uma precessão, mas a rotação da linha de aspides) de um planeta orbitando em torno do Sol em um plano 2D, de acordo com a lei da gravidade newtoniana ?

Modelei esses efeitos em um modelo de computador reiterativo e gostaria de verificar essas medidas.

A fórmula de aceleração transversal é

At=(K/c2)∗Vr∗Vt∗Ar.

Onde:-

c é a velocidade da luz,

K é uma constante de magnitude entre 0 e +/- 3, de modo que .K/(c2)<<1

Ar é a aceleração do planeta em direção ao Sol devido à influência gravitacional newtoniana do Sol ( ).Ar=GM/r2

Vr é componente radial da velocidade do planeta em relação ao Sol (+ = movimento para longe do Sol)

Vt é um componente transversal da velocidade do planeta em relação ao Sol (+ = direção do movimento de avanço do planeta ao longo de seu caminho orbital). Vectorialmente Vt = V - Vr onde V é o vetor de velocidade instantânea total do planeta em relação ao Sol.

Suponha que a massa do planeta seja pequena em relação ao Sol

Nenhum outro corpo está no sistema

Todos os movimentos e acelerações estão confinados ao plano bidimensional da órbita.

ATUALIZAR

A razão pela qual isso é interessante para mim é que um valor de K = +3 no meu modelo de computador produz valores de taxa de rotação periapse anômalos (não-newtonianos) muito próximos de cerca de 1% daqueles previstos pela Relatividade Geral e dentro de alguns por cento de os observados pelos astrônomos (Le Verrier, atualizado por Newcomb).

Fórmula (Einstein, 1915) para rotação de periapse derivada de GR (radianos por órbita) de http://en.wikipedia.org/wiki/Apsidal_precession

ω=24.π3.a2.T−2.c−2.(1−e2)−1

ATUALIZAÇÃO 4

Eu aceitei a resposta de Walter. Ele não apenas respondeu à pergunta original (Existe uma técnica ...?), Mas também sua análise produz uma fórmula que não apenas confirma os efeitos simulados por computador da fórmula de aceleração transversal (para K = 3), mas que também (inesperadamente para mim) é essencialmente equivalente à fórmula de Einstein 1915.

Resumo de Walter (na resposta de Walter abaixo): -

: (a partir da análise de peturbação de primeira ordem) o eixo semi-maior e a excentricidade permanecem inalterados, mas a direção da periapse gira no plano da órbita na taxa que é a frequência orbital e com eixo semi-principal. Observe que (para ) isso concorda com a taxa de precessão da relatividade geral (GR) na ordem (dada por Einstein 1915).Ωvc=ΩumumK=3v 2 C /C2

ω=Ωvc2c2K1−e2,
Ωvc=ΩaaK=3vc2/c2

Você ainda está procurando uma resposta?
— Walter Walter

@Walter. Sim, eu sou. Fiz uma pergunta semelhante em physics.stackexchange.com/questions/123685/…, mas nenhuma resposta sólida foi recebida ainda.
— steveOw

@Walter. Também perguntei em math.stackexchange.com/questions/866836/… .
— steveOw

Sim, existem métodos analíticos aproximados (teoria das perturbações), válidos no limite de . Talvez você possa esclarecer um pouco sua pergunta. Qual é a direção da aceleração transversal (entendo 'transversal' como perpendicular à velocidade instantânea, mas não está claro se a aceleração está no plano da órbita ou perpendicular ou uma mistura). K≪1
— Walter

Há uma diferença entre sua pergunta aqui e a de matemática (e física): aqui a aceleração transversal é proporcional à aceleração radial e é um número adimensional, lá a aceleração radial não tem efeito na aceleração transversal e deve ser um aceleração (embora você fale sobre um 'número'). KKK
— Walter

Respostas:


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Você pode querer usar a teoria da perturbação . Isso fornece apenas uma resposta aproximada , mas permite o tratamento analítico. Sua força é considerada uma pequena perturbação à órbita elíptica Kepler e as equações resultantes do movimento são expandidas em potências de . Para a teoria da perturbação linear, apenas os termos lineares em são retidos. Isso simplesmente leva à integração da perturbação ao longo da órbita original imperturbável. Escrevendo sua força como um vetor, a aceleração perturbadora é com a velocidade radial ( ) e K a = K G MKKvr=v⋅ r v≡ ˙ r vt=(v - r (v⋅ r ))

a=KGMr2c2vrvt
vr=v⋅r^v≡r˙vt=(v−r^(v⋅r^)) o componente rotacional da velocidade ( a velocidade total menos a velocidade radial). Aqui, o ponto acima indica uma derivada de tempo e um chapéu para o vetor de unidade.

Agora, depende do que você quer dizer com ' efeito '. Vamos trabalhar as mudanças do orbital semi-eixo , excentricidade , e direção de periapse.eae


Para resumir os resultados abaixo : o eixo semi-maior e a excentricidade permanecem inalterados, mas a direção da periapse gira no plano da órbita na taxa que é a frequência orbital e com eixo semi-principal. Observe que (para ) isso concorda com a taxa de precessão da relatividade geral (GR) na ordem (fornecida por Einstein 1915, mas não mencionada na pergunta original).Ωvc=ΩumumK=3v 2 C /C2

ω=Ωvc2c2K1−e2,
Ωvc=ΩaaK=3vc2/c2

mudança do semi-eixo principal

A partir da relação (com a energia orbital) temos para a mudança de devido a uma energia externa aceleração (não Kepleriana) Inserindo (observe que com vetor de momento angular ), obtemos Como a média da órbita para qualquer função (veja abaixo), .E = 1a=−GM/2Ea ˙ a =2a2E=12v2−GMr−1aav⋅vt=h2/r2h≡r∧v ˙ a =2a2Kh2

a˙=2a2GMv⋅a.
av⋅vt=h2/r2h≡r∧v⟨Vrf(r)⟩=0f⟨ ˙ um ⟩=0
a˙=2a2Kh2c2vrr4.
⟨vrf(r)⟩=0f⟨a˙⟩=0

mudança de excentricidade

Em , encontramos Já sabemos que , portanto, precisamos considerar apenas o primeiro termo. Assim, onde usei a identidade e o fatoe ˙ e = - h ⋅ ˙ hh2=(1−e2)GMa⟨ ˙ um ⟩=0e ˙ e =-(r∧v)⋅(r∧um)

ee˙=−h⋅h˙GMa+h2a˙2GMa2.
⟨a˙⟩=0(a∧b)⋅(c∧d)=a⋅c
ee˙=−(r∧v)⋅(r∧a)GMa=−r2v⋅aGMa=−Kh2ac2vrr2,
r ⋅ um p = 0 ⟨ v r / r 2 ⟩ = 0 ⟨ ˙ e ⟩ = 0(a∧b)⋅(c∧d)=a⋅cb⋅d−a⋅db⋅cr⋅ap=0 . Novamente e, portanto, .⟨vr/r2⟩=0⟨e˙⟩=0

mudança da direção do periapse

O vetor de excentricidade pontos (do centro de gravidade) na direção da periapse, tem magnitude , e é conservado sob o movimento kepleriano (valide tudo isso como um exercício!). A partir dessa definição, encontramos sua alteração instantânea devido à aceleração externa e ˙ e = um ∧ ( r ∧ v ) + v ∧ ( r ∧ um )e≡v∧h/GM−r^e um∧(b∧c)=(um⋅c)b-(um⋅b)cr⋅um=0 ˙ e =ω∧eω=ΩKv 2 c

e˙=a∧(r∧v)+v∧(r∧a)GM=2(v⋅a)r−(r⋅v)aGM=2Kc2h2vrrr4−Kc2vr2vtr
onde eu usei a identidade e o fato . As médias de órbita dessas expressões são consideradas no apêndice abaixo. Se finalmente juntarmos tudo, obteremos com [ corrigido novamente ] Esta é uma rotação de periapse no plano da órbita com frequência angular. Em particulara∧(b∧c)=(a⋅c)b−(a⋅b)cr⋅a=0e˙=ω∧e
ω=ΩKvc2c2(1−e2)−1h^.
ω=|ω|⟨ee˙⟩=⟨e⋅e˙⟩=0 de acordo com nossa descoberta anterior.

Não se esqueça que, devido ao uso da teoria de perturbação de primeira ordem, esses resultados são estritamente verdadeiros no limite . Na teoria de perturbação de segunda ordem, no entanto, tanto como / podem mudar. Em seus experimentos numéricos, você deve achar que as mudanças em média órbita do e são zero ou escalar mais forte do que linear com perturbação de amplitude .K(vc/c)2→0aeaeK

isenção de responsabilidade Não há garantia de que a álgebra esteja correta. Confira!


Apêndice: médias de órbitas

As médias de órbita de com uma função abitrária (mas integrável) podem ser calculadas diretamente para qualquer tipo de órbita periódica. Seja a antiderivada de , ou seja, , então a média da órbita é: com o período orbital.vrf(r)f(r)F(r)f(r)F′=f

⟨vrf(r)⟩=1T∫0Tvr(t)f(r(t))dt=1T[F(r(t))]0T=0
T

Para as médias de órbita necessárias em , precisamos cavar um pouco mais fundo. Para uma órbita elíptica kepleriana com vetor de excentricidade e um vetor perpendicular a e . Aqui, é a anomalia excêntrica, que está relacionada à anomalia média via modo que⟨e˙⟩

r=a((cos⁡η−e)e^+1−e2sin⁡ηk^)andr=a(1−ecos⁡η)
ek^≡h^∧e^ehηℓℓ=η−esin⁡η,dℓ=(1−ecos⁡η)dη e uma média de órbita se torna Tomando a derivada do tempo (observe que a frequência orbital) de , encontramos a velocidade orbital instantânea (não perturbada) onde eu apresentei , a velocidade da órbita circular com o maior eixo . A partir disso, encontramos a velocidade radial
⟨⋅⟩=(2π)−1∫02π⋅dℓ=(2π)−1∫02π⋅(1−ecos⁡η)dη.
ℓ˙=Ω=GM/a3r
v=vc1−e2cos⁡ηk^−sin⁡ηe^1−ecos⁡η
vc≡Ωa=GM/aavr=r^⋅v=vcesin⁡η(1−ecos⁡η)−1 e a velocidade de rotação
vt=vc1−e2(cos⁡η−e)k^−(1−e2)sin⁡ηe^(1−ecos⁡η)2.

Com isso, [ corrigimos novamente ] em particular, os componentes na direção média de zero. Assim [ corrigido novamente ]

⟨h2vrrr4⟩=Ωvc2k^e(1−e2)3/22π∫02πsin2η(1−ecos⁡η)4dη=Ωvc2e2(1−e2)k^⟨vr2vtr⟩=Ωvc2k^e2(1−e2)1/22π∫02πsin2η(cos⁡η−e)(1−ecos⁡η)4dη=0,
e^
⟨2h2vrrr4−vr2vtr⟩=Ωvc2ek^(1−e2)

Comentários não são para discussão prolongada; esta conversa foi movida para o bate-papo .
— called2voyage
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