Řešení oběžné dráhy vymrštěného kyje, který má dopadnout zpět za rok
Kyj se bude pohybovat v meziplanetárním prostoru s gravitací ubývající podle vzdálenosti od Země. Vytvoříme si matematický model, kde Zemi nahradíme hmotným bodem o hmotnosti původní zeměkoule a hypotetickým obalem či povrchem ideálně propustným pro prolétající kyje. Budeme řešit let kyje po eliptické dráze, mající v jednom ohnisku onen hmotný bod. Protože se má jednat o jakýsi svislý vrh, budeme hned od počátku uvažovat velkou výstřednost elipsy, aproximující onen vrh. Z celé elipsy bude využita pouze nadzemní část, takže bude nutno určit, jak velká časová chyba vznikne zanedbáním části trajektorie ležící pod virtuálním povrchem Země. Vliv ovzduší zanedbáváme. Závislost síly na vzdálenosti hmotného bodu od středu pohybu:
tj.
což je asi ta tvá původní diferenciální rovnice.
Zrychlení při jakémkoliv pohybu hmotného bodu můžeme vyjádřit jako součet zrychlení axiálního a radiálního:
V našem případě středového pohybu je jednotkový vektor kolmý na rovinu
planetárního (kyjového) pohybu. Potom je zrychlení
tudíž
neboli
Tuto vektorovou diferenciální rovnici lze rozložit na 2 diferenciální rovnice skalární:
a druhá rovnice:
eliminací proměnné t (času):
kde C je dvojnásobek absolutní hodnoty plošné rychlosti
(už z toho čiší ten Kepler)
úpravou:
dostaneme:
dosazením:
vynásobíme zlomkem a upravíme:
což je již klasický tvar diferenciální rovnice typu
jejíž obecné řešení je:
použitím na předchozí výsledek:
z čehož plyne:
samozřejmě očekáváme kuželosečku, při použití polárních souřadnic bude:
a nebo:
podle parametru
epsilon dělíme kuželosečky na 3 typy:
elipsa
parabola
hyperbola
Nás zajímá pouze první případ – vyhozený kyj se má vrátit
Porovnáním dostáváme:
, její parametr je
Integrační konstanty C, A, vyplývají
z počátečních podmínek.
C je dvojnásobek absolutní hodnoty konstantní plošné
rychlosti,
Určení konstant A a
Když vektor rychlosti svírá s vektorem polohového vektoru úhel alfa,
derivací dostaneme:
Zavedeme si počítání času od okamžiku, kdy a současně
Další integrační konstanty už určíme z předchozích rovnic dosazením počátečních podmínek:
Pro elipsu s hlavní poloosou a a s excentricitou e je:
a vedlejší poloosa (ta nás ale nebude zajímat):
Doba oběhu je
Při oběhu planety (kyje) okolo hmotného bodu na něj působí gravitační síla, že. Hmota kyje je m, hmota toho obletovaného bodu je M. Newtonova gravitační síla je
porovnáním s dostaneme
z toho už plyne
a oběžná doba
odstraníme nehezké exponenty
což je vyjádření Keplerových zákonů a také neklamné znamení, že jsme počítali dobře. Tento poznatek je pro nás zajímavý tím, že některé důležité parametry (pro nás oběžná doba) nejsou závislé na velikosti druhé (menší) poloosy. Dále že není důležitá hmotnost vymrštěného kyje, podstatná je pouze hmotnost Země. Teď už nám stačí např. získat údaje o jiné oběžnici Země bez ohledu na velikost druhé poloosy její trajektorie a přepočítat na náš případ. Touto testovací oběžnicí může být např. Měsíc, jehož parametry a parametry jeho oběžné dráhy jsou notoricky známé.
Výsledný vztah můžeme upravit na:
, kde u obsahuje všechny konstanty shodné v obou
případech a které nepotřebujeme vyčíslit. V tomto tvaru je příslušný
Keplerův zákon asi nejznámější.
Z něj plyne konstanta u platící pro tu kterou konkrétní planetu:
a pro jinou oběžnici této planety můžeme z doby oběhu vypočíst velikost její velké poloosy:
Parametry oběžné dráhy Měsíce: a=3,8.108m, T=2,36.106sec.
Dosazením vyjde u=10-13
Pro
T=1rok=3,154.107 vteřin.
Dosazením do vzorce dostaneme a=2140014522m, z čehož
plyne celková vzdálenost 2xa=4280029044m.
Nyní
se zaměříme na bod trajektorie ležící 6000km od středu Země, tedy na jejím
povrchu. V tomto bodě má kyj takovou rychlost, aby dolétl do uvedené
vzdálenosti 4280029044m od středu Země. Z této rychlosti nás zajímá složka
rovnoběžná s hlavní poloosou, určující dolet.
Určení
potřebné rychlosti pro vržení kyje
Tíhové
zrychlení ve vzdálenosti r od středu Země
Ze
známé g=9,78ms-2 a r=6378245m nám vyjde
Na
letící kyj tedy působí síla
Přeletem
z bodu R do bodu B (po přímce procházející těžištěm Země) vykoná práci
Úbytek
kinetické energie kyje musí být stejný:
kde v0 je
počáteční rychlost
V bodě
obratu letu kyje, tj. největší vzdálenosti (apogeum), je v=0
pro
kontrolu: úniková rychlost (neboli 2.kosmická rychlost):
Jejich rozdíl činí
cca 8.32m za sec, to bude teda pěkná fuška, aby o ten kyj nepřišel!
Zatím jsme mlčky předpokládali, že se doba letu kyje rovná
celé oběžné době. Ve skutečnosti tomu tak není, těžiště Země je obíháno kolem
dokola a otázka je, jak velká tím vznikne chyba, zda ji lze zanedbat či
korigovat.
Zajímá
nás, jaká je doba obletu kyje okolo těžiště Země pod jejím virtuálním povrchem
našeho matematického modelu. Hned na první pohled je patrné, že kyj prolétající
prakticky druhou kosmickou rychlostí zemský povrch směrem dolů a tím ještě
rychlost zvyšující, se tam asi moc dlouho nezdrží. Pro excentricitu platí
a
pro perigeum, i když se vlastně v tomto případě nachází zatraceně hluboko
pod zemí:
pro
námi uvažovaný extrémní poměr a/b tuto funkci raději rozvedeme do řady, neboť
by původní vztah již na počítači nemusel být stabilní.
Rozkladem
do McLaurinovy řady (stačí jeden člen – ale ten druhý, první je nulový!)
Pro
první přiblížení volíme b=1
což
je vzdálenost úsměvně nepatrná, takže počítat rychlost v perigeu takovéto
oběžné dráhy ztrácí smysl – určitě musí být nadrelativistická, pro nás však
nemá fyzikální smysl, neboť kyj tuto dráhu absolvovat nebude. Důležité je, že
otočka u takto pojaté dráhy je v šíleně mrňavém čase s exponentem
velice záporným. Takže si jen hrubě vymezíme, jaký může být časový úsek trajektorie
pro r<6000 km. Počáteční rychlost přesahuje 10 km/sec, celková dráha je 2xr=
cca 12500km, čas tedy nemůže být delší, než 1250 sec, tj. cca 21 minut. To je
v celkové oběžné dráze trvající 1 rok zanedbatelná část, nestojící za
další námahu a ani v praxi by výpočet nebyl upřesňován, neboť je mnoho
dalších vlivů způsobujících podstatně větší odchylky trajektorie. Z nich
patrně největší bude vliv gravitace Měsíce a vliv slunečního větru. A vliv
zemské atmosféry. Dále nelze opominout rychlost rotace Země při vyvržení kyje –
v celém výpočtu byla uvažována nerotující Země. Tuto složku rychlosti lze
buď využít nebo naopak musí být překonávána, záleží na okolnostech. Umělé
družice ji využívají, jsou vždy vypouštěny tak, aby se rychlost rotace země
přičítala k rychlosti nosné rakety. Proto obvykle na večerní obloze
pozorujeme umělé družice letící od západu na východ, s různými sklony
k rovníku.
Poznámka
1: Uvedená problematika zas není až tak moc bláznivá, například komety na
oběžné dráze kolem Slunce mají velice výstředné (nikoliv výstřední) dráhy,
takže v aféliu často vůbec nebývají pozorovatelné ani nejdokonalejšími
dalekohledy, v perihéliu naopak často tvoří ozdobu noční oblohy
pozorovatelnou prostým okem. Nutno uvážit, že jejich rozměr bývá třeba i jen
několik kilometrů, takže jejich pozorovatelnost při odletu zaniká již při
podstatně menších vzdálenostech, než je pozorovatelnost běžných planet. Např.
nejpopulárnější Halleyova kometa známá už od starověku, nikdy nebyla
pozorovatelná v odvrácené části dráhy. V současnosti se očekává, že
s nejvyspělejší technikou to bude poprvé možné. Rušivé vlivy mají na
komety někdy až fatální vliv, očekávaný přílet, tj. jejich přiblížení ke Slunci
tak, aby byly pozorovatelné alespoň v dalekohledu, bývá pozměněn i o
několik let vlivem událostí, které proběhly kdesi ve vesmíru v době, kdy
nebyla pozorovatelná. Těmito vlivy bývá průlet okolo velkých planet, zejména
Jupiter a Saturn. Parametry oběžné dráhy jsou samozřejmě stanovovány jen podle pozorování v době, kdy ji je
možno pozorovat. A tak komety překvapují astronomy nejen dobou příletu, ale i
tvarem dráhy, neboť na rozdíl od hypotetického kyje prolétajícího okolo
hypotetického středu Země kometa musí skutečně proletět v blízkosti Slunce
a pokud ji pozměněná dráha přivede do přílišné blízkosti, potom se stává, že se
tato krasavice obvykle složená z ledových balvanů a podobného materiálu,
rozpadne. A tu se třeba náhle objeví jiná kometa, o které nikdo neměl ani
tušení, neboť její oběžná doba činí několik set let a při posledních dvou, třech
průletech bylo nad civilizovanými oblastmi nepříznivé počasí na pozorování či
několik písmaznalých mudrců bylo právě prohlášeno za kacíře, odpadlíky, třídní
nepřátele a ukřižováno, utopeno, upáleno či jinak utraceno pro pomluvu krále
(faraona, velekněze, generálního tajemníka…nic nového pod Sluncem …) a jejich
spisy naházeny do ohně. A my stejně jako naši předci před tisíciletími
v úžasu zíráme na čarokrásné jevy na obloze, snažíme se je popsat, ale
nemůžeme je nijak ovlivnit. Naštěstí. Alespoň zatím. Tečka.
Následné
vztahy jsem chtěl použít pro exaktní odvození průletové doby pod hypotetickým
povrchem, ale to už přenechám jiným záchvaťákům. Teď mám před sebou jiné
odvozování ještě bláznivějších záležitostí, které budu prezentovat na
mezinárodní konferenci podobně ujetých, to už je ale moc OT.
Plocha
oběžné dráhy kyje (je to elipsa)
Dvojnásobek
plošné rychlosti tedy bude
Ta
druhá poloosa je pro nás nezajímavá, symbolicky nastavená na b=1 a pro
zeměkouli s vyvrženým kyjem dostaneme