軌道要素
理論・主要公式
$T = 2\pi\sqrt{\dfrac{a^3}{GM}}$
vis-viva方程式:
$v^2 = GM\!\left(\dfrac{2}{r} - \dfrac{1}{a}\right)$
角運動量Save:
$L = mr^2\dot{\theta} = \mathrm{const}$
💬 ケプラーの法則と万有引力 — 宇宙の「曲がる軌道」の仕組み
🎓完全な円軌道になるのは、位置と速度がちょうど釣り合った特別な場合です。少しでも条件がずれると、重力で引かれながら楕円軌道を描きます。太陽に近づくと速く、遠ざかると遅くなるため、自然に楕円運動になります。
🙋離心率を上げると近日点付近で急に速くなります。これはケプラー第2法則ですか?
🎓はい。太陽と惑星を結ぶ線分が同じ時間に同じ面積を掃くという法則です。これは角運動量保存 $L=mr^2\dot{\theta}$ の表れでもあります。
🙋ハレー彗星プリセットでは、遠くにいる時間が長く、内側を一気に通過しますね。
🎓ハレー彗星は離心率が約0.967の細長い楕円軌道です。近日点では金星軌道の内側まで近づき、遠日点では海王星より遠くへ行きます。周期は約75から76年で、次回の接近は2061年ごろです。
🎓$v^2=GM(2/r-1/a)$ により、軌道上の任意の位置での速度を、現在距離 $r$ と軌道長半径 $a$ から求めます。近日点では速く、遠日点では遅いことを定量化できます。
🎓低軌道から静止軌道へ移る場合などに、ホーマン遷移が使われます。近地点で加速して楕円遷移軌道に入り、遠地点でもう一度加速して円軌道化します。
よくある質問
惑星は太陽を1つの焦点とする楕円軌道を描く、という法則です。円軌道は離心率0の特別な場合です。
太陽系では、軌道長半径 $a$ をAU、周期 $T$ を年で表すと、おおよそ $T^2=a^3$ です。火星は $a\approx1.52$ AU なので周期は約1.87年になります。
vis-viva方程式で $a\to\infty$ とおくと、$v_{escape}=\sqrt{2GM/r}$ が得られます。地球表面では約11.2km/sです。
Verlet法を用いており、軌道力学で重要なエネルギー保存性を比較的保ちやすい方法です。ただし時間刻みが大きすぎると軌道が徐々にずれるため、高離心率では小さな刻みが望ましいです。
惑星探査機の軌道設計、スイングバイ、衛星の軌道維持、宇宙ごみの追跡などで使われます。正確な軌道計算はランデブーやドッキングにも不可欠です。