两体运动的质心速度 vc12=(m1v1+m2v2)/(m1+m2)……(1)
在两体外部观看两体,等效于两体质心处有一个质量为m12=m1+m2的质点。
当出现第三个质点m3时,套用上面形式公式,得到三体质心速度
vc123=(m12 vc12+m3 v3)/((m12+m3))……(2) 把(1)代入(2),得到 vc123=(m1v1+m2v2+m3v3)/(m1+m2+m3)……(3)
当有n个质点时,可依照上面方法继续得到 vc=(m1v1+m2v2+……+mnvn)/(m1+m2+……+mn)……(4)
对于独立的质点系,不考虑系外物体的外力,则质点系有固定的质心速度vc。选取质心作为参考系是最佳的选择,即令vc=0。这样,我就得到了一个式子 m1v1+m2v2+……+mnvn=0…………(5) 当然这里的速度vi都是相对质心的新速度了。
在我建立的这个质心参考系中,任何一个质点都可以使用位矢r来表示,这样式子也可以写成 m1 dr1/dt +m2 dr2/dt +……+ mn drn/dt=0…………(6)
对于三体问题,式子简化成m1 dr1/dt + m2 dr2/dt + m3 dr3/dt=0……(7)
任意给定两个质点的速度状态,比如已知某时刻的v1=dr1/dt、v2=dr2/dt,我们立刻可以计算出v3而无须解微分方程,也不需要知道它们的具体位置。
对(6)进行积分,得到 m1 r1 + m2 r2 + ……+mn rn=0……(8) 因为质心是我选定的参考系,因此质心速度恒为零,因此积分出来的量也恒是零。 (8)式是我发现的质心质矢定理。 质心质矢定理可由下面三个式子组成 m1r1+m2r2+……+mnrn=0 m1r1’+m2r2’+……+mnrn’=0 m1r1’’+m2r2’’+……+mnrn’’=0
根据质心质矢定理 对于三体运动,如果已知任意两个质点的位矢状态,比如已知某时刻的r1、r2,我们立刻可以计算出r3。同样无须解微分方程。
空间中有太阳、地球和月球在一个平面内运动,三体的质量分别为M1=1.98e30kg、m2=5.98e24kg、m3=7.35e22kg。我们为了方便,选取地球赤道上发生日全食那一时刻,即三星连珠时刻的三体质心位置作为参考系原点,三体连线此刻在太阳背面对准一遥远恒星,在地球背面对准另一刻遥远恒星。太阳、月球、地球三体的质心这时最容易计算。再找一颗恒星标记质心的位置。这样,三颗恒星标记了质心的位置。假定恒星极其遥远,也没有相互运动,这样确定下来的质心也是不动的(假定不存在银河系,只有这三体和标记恒星)。以这个三体质心为原点,建立一个直角坐标系,就是质心坐标系。坐标系方向被三颗遥远恒星固定住了。
在这个瞬间,在质心原点测量到日、地、月三个位矢r1、r2、r3、和速度矢r1’、r2’、r3’
根据质心质矢定理,上面的数据必满足 m1r1+m2r2+m3r3=0 m1r1’+m2r2’+m3r3’=0
根据这个关系,我们也能计算出月全食(月亮在地球背光面)时月球相对质心的位矢、速度矢。
具体代入计算我就不做了。在三体运动中,只要知道了两体的运动状态,就能直接计算出第三体的运动状态。
在这个例子里,我完全不考虑万有引力的存在,这是因为三体之间的万有引力属于内力。抛开万有引力公式进行三体计算是我的理论独创。 |