Himmlische Mechanik ist der Zweig der Astronomie, die sich mit den Bewegungen von himmlischen Gegenständen befasst. Das Feld wendet Grundsätze der Physik, historisch klassischen Mechanik, zu astronomischen Gegenständen wie Sterne und Planeten an, um Ephemeride-Daten zu erzeugen. Augenhöhlenmechanik (astrodynamics) ist ein Teilfeld, das sich auf die Bahnen von künstlichen Satelliten konzentriert. Mondtheorie ist ein anderes Teilfeld, das sich auf die Bahn des Monds konzentriert.

Geschichte der himmlischen Mechanik

Moderne analytische himmlische Mechanik hat vor mehr als 300 Jahren mit dem Principia von Isaac Newton von 1687 angefangen. Der Name "himmlische Mechanik" ist neuer als das. Newton hat geschrieben, dass das Feld "vernünftige Mechanik genannt werden sollte." Der Begriff "Dynamik" ist in ein wenig später mit Gottfried Leibniz, und mehr als ein Jahrhundert gekommen, nachdem Newton, Pierre-Simon Laplace den Begriff "himmlische Mechanik eingeführt hat." Dennoch sind vorherige Studien, das Problem von planetarischen Positionen richtend, bekannt, vielleicht 3,000 oder mehr Jahre schon in den babylonischen Astronomen zurückgehend.

Das alte Griechenland

Klassische griechische Schriftsteller haben weit bezüglich himmlischer Bewegungen nachgesonnen, und haben viele geometrische Mechanismen präsentiert, die Bewegungen der Planeten zu modellieren. Ihre Modelle haben Kombinationen der gleichförmigen kreisförmigen Bewegung verwendet und wurden auf die Erde in den Mittelpunkt gestellt. Eine unabhängige philosophische Tradition ist mit den physischen Ursachen solcher kreisförmigen Bewegungen beschäftigt gewesen. Eine außergewöhnliche Zahl unter den alten griechischen Astronomen ist Aristarchus von Samos (310 BCE-c.230 BCE), wer ein heliocentric Modell des Weltalls vorgeschlagen hat und versucht hat, die Entfernung der Erde von der Sonne zu messen.

Der einzige bekannte Unterstützer von Aristarchus war Seleucus von Seleucia, ein babylonischer Astronom, der, wie man sagt, heliocentrism durch das Denken im 2. Jahrhundert von BCE bewiesen hat. Das kann das Phänomen von Gezeiten eingeschlossen haben, die er richtig theoretisiert hat, um durch die Anziehungskraft zum Mond verursacht zu werden, und bemerkt, dass die Höhe der Gezeiten von der Position des Monds hinsichtlich der Sonne abhängt. Wechselweise kann er die Konstanten eines geometrischen Modells für die heliocentric Theorie bestimmt haben und Methoden entwickelt haben, planetarische Positionen mit diesem Modell, vielleicht mit früh trigonometrische Methoden zu schätzen, die in seiner Zeit viel wie Copernicus verfügbar waren.

Auch im zweiten Jahrhundert wurde der Mechanismus von Antikythera gebaut. Dieses Gerät schätzt mechanisch die Positionen von Himmelskörpern "bezüglich der Position des Beobachters auf der Oberfläche der Erde."

Claudius Ptolemy

Claudius Ptolemy (c.120 CE) war ein alter Astronom und Astrologe in frühen römischen Reichszeiten, der mehrere Bücher auf der Astronomie geschrieben hat. Der bedeutendste von diesen war Almagest, der das wichtigste Buch auf der prophetischen geometrischen Astronomie seit ungefähr 1400 Jahren geblieben ist. Ptolemy hat den besten von den astronomischen Grundsätzen seiner griechischen Vorgänger, besonders Hipparchus ausgewählt und scheint, sie irgendein direkt oder indirekt mit Daten und bei den Babyloniern erhaltenen Rahmen verbunden zu haben. Obwohl sich Ptolemy hauptsächlich auf die Arbeit von Hipparchus verlassen hat, hat er mindestens eine Idee, den equant eingeführt, der scheint, sein eigenes zu sein, und der außerordentlich die Genauigkeit der vorausgesagten Positionen der Planeten verbessert hat. Obwohl sein Modell äußerst genau war, hat es sich allein auf geometrische Aufbauten aber nicht auf physische Ursachen verlassen; Ptolemy hat himmlische Mechanik nicht verwendet.

Frühes mittleres Alter

B. L. van der Waerden hat die planetarischen Modelle interpretiert, die von Aryabhata (476-550 CE), ein Indianerastronom, und Albumasar (787-886 CE), ein persischer Astronom entwickelt sind, um heliocentric Modelle zu sein, aber diese Ansicht ist durch andere stark diskutiert worden. Im 9. Jahrhundert haben CE, der persische Physiker und Astronom, Ja'far Muhammad ibn Mūsā ibn Shākir, Hypothese aufgestellt, dass die Gestirne und himmlischen Bereiche denselben Gesetzen der Physik wie Erde verschieden von den Menschen der Antike unterworfen sind, die geglaubt haben, dass die himmlischen Bereiche ihrem eigenen Satz von physischen von dieser der Erde verschiedenen Gesetzen gefolgt sind.

Ibn al-Haytham

Am Anfang des 11. Jahrhunderts CE hat Ibn al-Haytham eine Entwicklung der geozentrischen epicyclic Modelle von Ptolemy in Bezug auf verschachtelte himmlische Bereiche präsentiert. In Kapiteln 15-16 seines Buches der Optik hat er auch entdeckt, dass die himmlischen Bereiche aus der festen Sache nicht bestehen.

Spätes mittleres Alter

Es gab viel Debatte über die Dynamik der himmlischen Bereiche während des späten Mittleren Alters. Averroes (Ibn Rushd), Ibn Bajjah (Avempace) und Thomas Aquinas haben die Theorie der Trägheit in den himmlischen Bereichen entwickelt, während Avicenna (Ibn Sina) und Jean Buridan die Theorie des Impulses in den himmlischen Bereichen entwickelt hat.

Im 14. Jahrhundert hat Ibn al-Shatir das erste Modell der Mondbewegung erzeugt, die physische Beobachtungen verglichen hat, und die später von Copernicus verwendet wurde. Im 13. - 15. Jahrhunderte, Tusi und Ali hat Kuşçu die frühsten empirischen Beweise für die Folge der Erde mit den Phänomenen von Kometen zur Verfügung gestellt, um den Anspruch von Ptolemy zu widerlegen, dass eine stationäre Erde durch die Beobachtung bestimmt werden kann. Kuşçu hat weiter Aristotelische Physik und natürliche Philosophie zurückgewiesen, Astronomie und Physik erlaubend, empirisch und mathematisch statt des philosophischen zu werden. Am Anfang des 16. Jahrhunderts wurde die Debatte über die Bewegung der Erde von Al-Birjandi fortgesetzt (d. 1528), wer in seiner Analyse dessen, was vorkommen könnte, wenn die Erde rotierte, eine dem Begriff von Galileo Galilei der "kreisförmigen Trägheit ähnliche Hypothese" entwickelt, die er im folgenden Beobachtungstest beschrieben hat:

Johannes Kepler

Johannes Kepler (am 27. Dezember 1571-15 November 1630) war erst, um die prophetische geometrische Astronomie nah zu integrieren, die von Ptolemy Copernicus mit physischen Konzepten dominierend gewesen war, um eine Neue Astronomie zu erzeugen, die auf Ursachen oder Himmlische Physik basiert ist.... Seine Arbeit hat zu den modernen Gesetzen von planetarischen Bahnen geführt, die er das Verwenden seiner physischen Grundsätze und der planetarischen von Tycho Brahe gemachten Beobachtungen entwickelt hat. Das Modell von Kepler hat außerordentlich die Genauigkeit von Vorhersagen der planetarischen Bewegung wenige Jahre verbessert, bevor Isaac Newton sein Gesetz der Schwerkraft entwickelt hat.

Sieh die Gesetze von Kepler der planetarischen Bewegung und des Problems von Keplerian für eine ausführliche Behandlung dessen, wie seine Gesetze der planetarischen Bewegung verwendet werden können.

Isaac Newton

Isaac Newton (am 4. Januar 1643-31 März 1727) wird das Einführen der Idee zugeschrieben, dass die Bewegung von Gegenständen im Himmel, wie Planeten, die Sonne, und der Mond und die Bewegung von Gegenständen auf dem Boden, wie Kanonenkugeln und fallende Äpfel, durch denselben Satz von physischen Gesetzen beschrieben werden konnte. In diesem Sinn hat er himmlische und irdische Dynamik vereinigt. Das Verwenden des Newtonschen Gesetzes der universalen Schwerkraft, der Beweis der Gesetze von Kepler für den Fall einer kreisförmigen Bahn sind einfach. Elliptische Bahnen schließen kompliziertere Berechnungen ein, die Newton in seinen Principia eingeschlossen hat.

Joseph-Louis Lagrange

Nach dem Newton hat Lagrange (am 25. Januar 1736-10 April 1813) versucht, das Drei-Körper-Problem zu beheben, hat die Stabilität von planetarischen Bahnen analysiert, und hat die Existenz der Punkte von Lagrangian entdeckt. Lagrange hat auch die Grundsätze der klassischen Mechanik wiederformuliert, Energie mehr betonend als Kraft und eine Methode entwickelnd, eine einzelne Polarkoordinate-Gleichung zu verwenden, um jede Bahn, sogar diejenigen zu beschreiben, die parabolisch und hyperbolisch sind. Das ist nützlich, für das Verhalten von Planeten und Kometen und solchem zu berechnen. Mehr kürzlich ist es auch nützlich geworden, Raumfahrzeugschussbahnen zu berechnen.

Simon Newcomb

Simon Newcomb (am 12. März 1835-11 Juli 1909) war ein kanadisch-amerikanischer Astronom, der den Tisch von Peter Andreas Hansen von Mondpositionen revidiert hat. 1877, geholfen von George William Hill, hat er alle astronomischen Hauptkonstanten wiederberechnet. Nach 1884 hat er sich mit A. M. W. Downing einen Plan vorgestellt, viel internationale Verwirrung auf dem Thema aufzulösen. Als er einer Standardisierungskonferenz in Paris, Frankreich im Mai 1886 beigewohnt hat, bestand die internationale Einigkeit darin, dass der ganze ephemerides auf den Berechnungen von Newcomb basieren sollte. Eine weitere Konferenz erst die Konstanten des 1950 ratifizierten Newcombs als der internationale Standard.

Albert Einstein

Albert Einstein (am 14. März 1879-18 April 1955) hat die anomale Vorzession der Sonnennähe von Quecksilber in seiner 1916-Zeitung Das Fundament der Allgemeinen Relativitätstheorie erklärt. Das hat Astronomen dazu gebracht anzuerkennen, dass Newtonische Mechanik die höchste Genauigkeit nicht zur Verfügung gestellt hat. Binäre Pulsars sind beobachtet, 1974 erst worden, wessen Bahnen nicht nur den Gebrauch der Allgemeinen Relativität für ihre Erklärung verlangen, aber dessen Evolution die Existenz der Gravitationsradiation, eine Entdeckung beweist, die zum 1993-Physik-Preis von Nobel geführt hat.

Beispiele von Problemen

Himmlische Bewegung ohne zusätzliche Kräfte wie Stoß einer Rakete, wird durch die Gravitationsbeschleunigung von Massen wegen anderer Massen geregelt. Eine Vereinfachung ist das N-Körperproblem, wo das Problem eine Nummer n kugelförmig symmetrischer Massen annimmt. In diesem Fall kann der Integration der Beschleunigungen durch relativ einfache Summierungen gut näher gekommen werden.

:Examples:

:*4-body Problem: Spaceflight zu Mars (für Teile des Flugs ist der Einfluss von einem oder zwei Körpern sehr klein, so dass dort wir einen 2- oder 3-Körper-Problem haben; sieh auch die geflickte konische Annäherung)

:*3-body Problem:

: ** Quasisatellit

: ** Spaceflight dazu, und bleiben an einem Punkt von Lagrangian

Im Fall, dass n=2 (Zwei-Körper-Problem), die Situation viel einfacher ist als für größeren n. Verschiedene ausführliche Formeln gelten, wo im allgemeineren Fall normalerweise nur numerische Lösungen möglich sind. Es ist eine nützliche Vereinfachung, die häufig ungefähr gültig ist.

:Examples:

:*A binärer Stern, z.B, Alpha Centauri (ungefähr dieselbe Masse)

:*A binärer Asteroid, z.B, 90 Antiope (ungefähr dieselbe Masse)

Eine weitere Vereinfachung basiert auf den "Standardannahmen in astrodynamics", die diesen einen Körper, den umkreisenden Körper einschließen, ist viel kleiner als der andere, der Hauptkörper. Das ist auch häufig ungefähr gültig.

:Examples:

:*Solar-System, das das Zentrum der Milchstraße umkreist

:*A-Planet, der die Sonne umkreist

:*A-Mond das Umkreisen eines Planeten

:*A-Raumfahrzeugumkreisen-Erde, ein Mond oder ein Planet (in den letzten Fällen gilt die Annäherung nur nach der Ankunft an dieser Bahn)

Entweder statt, oder oben auf der vorherigen Vereinfachung können wir kreisförmige Bahnen annehmen, Entfernung und Augenhöhlengeschwindigkeiten und potenzielle und kinetische Energien unveränderlich rechtzeitig machend. Diese Annahme opfert Genauigkeit für die Einfachheit besonders für hohe Seltsamkeitsbahnen, die definitionsgemäß nichtkreisförmig sind.

:Examples:

:*The-Bahn des Zwergplanet-Pluto, ecc. = 0.2488

:*The-Bahn von Quecksilber, ecc. = 0.2056

:*Hohmann übertragen Bahn

:*Gemini 11 Flug

:*Suborbital-Flüge

Unruhe-Theorie

Unruhe-Theorie umfasst mathematische Methoden, die verwendet werden, um eine ungefähre Lösung eines Problems zu finden, das genau nicht gelöst werden kann. (Es ist nah mit in der numerischen Analyse verwendeten Methoden verbunden, die alt sind.) Der frühste Gebrauch der Unruhe-Theorie sollte sich sonst unsolveable mathematische Probleme der himmlischen Mechanik befassen: Die Lösung des Newtons für die Bahn des Monds, der sich merklich verschieden von einer einfachen Ellipse von Keplerian wegen der konkurrierenden Schwerkraft der Erde und der Sonne bewegt.

Unruhe-Methoden fangen mit einer vereinfachten Form des ursprünglichen Problems an, das sorgfältig gewählt wird, um genau lösbar zu sein. In der himmlischen Mechanik ist das gewöhnlich eine Ellipse von Keplerian, die richtig ist, wenn es nur zwei angezogen werdende Körper gibt (sagen Sie die Erde und der Mond), oder eine kreisförmige Bahn, die nur in speziellen Fällen der Zwei-Körper-Bewegung richtig ist, aber ist häufig für den praktischen Gebrauch nah genug. Das behobene aber vereinfachte Problem wird dann "gestört", um seine Startbedingungen näher am echten Problem, solcher als einschließlich der Gravitationsanziehungskraft eines dritten Körpers (die Sonne) zu machen. Die geringen Änderungen, die resultieren, der selbst immer wieder vereinfacht worden sein kann, werden als Korrekturen verwendet. Wegen entlang jedem Schritt des Weges eingeführter Vereinfachungen sind die Korrekturen nie vollkommen, aber sogar ein Zyklus von Korrekturen stellt häufig eine bemerkenswert bessere ungefähre Lösung des echten Problems zur Verfügung.

Es gibt keine Voraussetzung, um an nur einem Zyklus von Korrekturen anzuhalten. Eine teilweise korrigierte Lösung kann als der neue Startpunkt für noch einen anderen Zyklus von Unruhen und Korrekturen wiederverwendet werden. Die allgemeine Schwierigkeit mit der Methode besteht darin, dass gewöhnlich die Korrekturen progressiv die neuen Lösungen sehr viel mehr kompliziert machen, so ist jeder Zyklus viel schwieriger sich zu behelfen als der vorherige Zyklus von Korrekturen. Wie man berichtet, hat Newton, bezüglich des Problems der Bahn des Monds "Es causeth mein Kopf gesagt, um zu schmerzen."

Dieses allgemeine Verfahren - mit einem vereinfachten Problem anfangend und allmählich Korrekturen hinzufügend, die den Startpunkt des korrigierten Problems näher an der echten Situation machen - ist ein weit verwendetes mathematisches Werkzeug in fortgeschrittenen Wissenschaften und Technik. Es ist die natürliche Erweiterung der "Annahme, überprüfen Sie und üble Lage" Methode verwendet alt mit Zahlen.

Siehe auch

• Astrometry ist ein Teil der Astronomie, die sich mit dem Messen der Positionen von Sternen und anderen Himmelskörpern, ihren Entfernungen und Bewegungen befasst.
• Astrodynamics ist die Studie und Entwicklung von Bahnen, besonders diejenigen von künstlichen Satelliten.
• Himmlische Navigation ist eine Positionsbefestigen-Technik, die das erste System war, das ausgedacht ist, um Matrosen zu helfen, sich auf einem nichts sagenden Ozean ausfindig zu machen.
• Schwerkraft
• Numerische Analyse ist ein Zweig der Mathematik, die durch himmlischen mechanicians den Weg gebahnt ist, um ungefähre numerische Antworten zu berechnen (wie die Position eines Planeten im Himmel), die zu schwierig sind, um unten zu einer allgemeinen, genauen Formel zu lösen.
• Das Schaffen eines numerischen Modells des Sonnensystems war die ursprüngliche Absicht der himmlischen Mechanik, und ist nur unvollständig erreicht worden. Es setzt fort, Forschung zu motivieren.
• Eine Bahn ist der Pfad, den ein Gegenstand, um einen anderen Gegenstand, während unter dem Einfluss einer Quelle der Zentripetalkraft wie Ernst macht.
• Augenhöhlenelemente sind die Rahmen musste eine Newtonische Zwei-Körper-Bahn einzigartig angeben.
• Oskulierende Bahn ist die vorläufige Bahn von Keplerian über einen Hauptkörper, dass ein Gegenstand fortsetzen würde, wenn andere Unruhen nicht da wären.
• Rückläufige Bewegung
• Satellit ist ein Gegenstand dass Bahnen ein anderer Gegenstand (bekannt als seine Vorwahl). Der Begriff wird häufig gebraucht, um einen künstlichen Satelliten (im Vergleich mit natürlichen Satelliten oder Monden) zu beschreiben. Der Gattungsname-Mond (nicht kapitalisiert) wird verwendet, um jeden natürlichen Satelliten der anderen Planeten zu bedeuten.
• Gezeitenkraft
• Entwicklungsephemeride des Laboratoriums des Strahlantriebs (JPL DE) ist ein weit verwendetes Modell des Sonnensystems, das himmlische Mechanik mit der numerischen Analyse und astronomisch und Raumfahrzeugdaten verbindet.
• Zwei Lösungen, genannt VSOP82 und VSOP87 sind Versionen eine mathematische Theorie für die Bahnen und Positionen der Hauptplaneten, der sich bemüht, genaue Positionen im Laufe einer verlängerten Zeitspanne zur Verfügung zu stellen.
• Mondtheorie versucht, für die Bewegungen des Monds verantwortlich zu sein.

Referenzen

• Asger Aaboe, Episoden von der Frühen Geschichte der Astronomie, 2001, Springer-Verlag, internationale Standardbuchnummer 0-387-95136-9
• Der Wald R. Moulton, Einführung in die Himmlische Mechanik, 1984, Dover, internationale Standardbuchnummer 0-486-64687-4
• John E.Prussing, Bruce A.Conway, Augenhöhlenmechanik, 1993, Oxford Univ. Drücken Sie
• William M. Smart, Himmlische Mechanik, 1961, John Wiley. (Hart, um zu finden, aber ein Klassiker)
• J. M. A. Danby, Grundlagen der Himmlischen Mechanik, 1992, Willmann-Glocke
• Alessandra Celletti, Ettore Perozzi, Himmlische Mechanik: Der Walzer der Planeten, 2007, Springer-Praxis, internationale Standardbuchnummer 0 387 30777 X.
• Michael Efroimsky. 2005. Maß-Freiheit in der Augenhöhlenmechanik. Annalen der New Yorker Akademie von Wissenschaften, Vol. 1065, Seiten 346-374
• Alessandra Celletti, Stabilität und Verwirrung in der Himmlischen Mechanik. Springer-Praxis 2010, XVI, 264 p. internationale Standardbuchnummer der Gebundenen Ausgabe 978-3-540-85145-5

Links

• Astronomie der Bewegung der Erde im Raum, Niveau der Höheren Schule Bildungswebsite durch David P. Stern

Forschung

• Die Forschungsseite von Marshall Hampton: Hauptkonfigurationen im N-Körperproblem

Gestaltungsarbeit

• Himmlische Mechanik ist eine Planetarium-Gestaltungsarbeit, die von D. S. Hessels und G. Dunne geschaffen ist

Kurs bemerkt

• Der Kurs von Professor Tatum bemerkt an der Universität des Viktorias

Vereinigungen

• Italienische himmlische Mechanik und Astrodynamics Vereinigung

Simulationen

• Mechanische himmlische Online-Simulation