विशिष्ट कोणीय संवेग

आकाशीय यांत्रिकी में, विशिष्ट सापेक्ष कोणीय गति (अक्सर दर्शाया जाता है ${\vec {h}}$ या $\mathbf {h}$) किसी पिंड का कोणीय संवेग उसके द्रव्यमान से विभाजित होता है। दो परिक्रमा करने वाले पिंडों के मामले में यह उनकी सापेक्ष स्थिति और सापेक्ष संवेग का सदिश उत्पाद है, जिसे संबंधित पिंड के द्रव्यमान से विभाजित किया जाता है।

विशिष्ट सापेक्ष कोणीय गति दो-शरीर समस्या के विश्लेषण में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है, क्योंकि यह आदर्श परिस्थितियों में किसी दी गई कक्षा के लिए स्थिर रहती है। विशिष्ट (बहुविकल्पी)#इस संदर्भ में शरीर विज्ञान और इंजीनियरिंग सहित भौतिक प्राकृतिक विज्ञान प्रति इकाई द्रव्यमान कोणीय गति को इंगित करता है। विशिष्ट सापेक्ष कोणीय गति के लिए एसआई इकाई वर्ग मीटर प्रति सेकंड है।

परिभाषा

विशिष्ट सापेक्ष कोणीय गति को सापेक्ष कक्षीय स्थिति वेक्टर के क्रॉस उत्पाद के रूप में परिभाषित किया गया है $\mathbf {r}$ और सापेक्ष कक्षीय वेग वेक्टर $\mathbf {v}$.

$$\mathbf {h} =\mathbf {r} \times \mathbf {v} ={\frac {\mathbf {L} }{m}}$$

कहाँ $\mathbf {L}$ कोणीय संवेग वेक्टर है, जिसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है $\mathbf {r} \times m\mathbf {v}$. $\mathbf {h}$ h> वेक्टर हमेशा तात्कालिक ऑस्कुलेटिंग कक्षा कक्षीय तल (खगोल विज्ञान) के लंबवत होता है, जो तात्कालिक गड़बड़ी (खगोल विज्ञान) के साथ मेल खाता है। यह आवश्यक नहीं है कि समय के साथ यह औसत कक्षीय तल के लंबवत हो।

दो शरीर के मामले में स्थिरता का प्रमाण

दूरी वेक्टर $\mathbf {r}$, वेग वेक्टर $\mathbf {v}$, सच्ची विसंगति $\theta$ और उड़ान पथ कोण $\phi$ का $m_{2}$ चारों ओर कक्षा में $m_{1}$. दीर्घवृत्त के सबसे महत्वपूर्ण मापों को भी दर्शाया गया है (जिनमें से, ध्यान दें कि वास्तविक विसंगति $\theta$ के रूप में लेबल किया गया है $\nu$).

कुछ शर्तों के तहत, यह साबित किया जा सकता है कि विशिष्ट कोणीय गति स्थिर है। इस प्रमाण की शर्तों में शामिल हैं:

• एक वस्तु का द्रव्यमान दूसरी वस्तु के द्रव्यमान से बहुत अधिक होता है। ($m_{1}\gg m_{2}$)
• समन्वय प्रणाली जड़त्वीय संदर्भ प्रणाली है।
• प्रत्येक वस्तु को एक गोलाकार सममित बिंदु कण के रूप में माना जा सकता है।
• दो पिंडों को जोड़ने वाले गुरुत्वाकर्षण बल के अलावा कोई अन्य बल प्रणाली पर कार्य नहीं करता है।

प्रमाण

प्रमाण दो-शरीर की समस्या से शुरू होता है, जो न्यूटन के सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण के नियम से लिया गया है:

$${\ddot {\mathbf {r} }}+{\frac {Gm_{1}}{r^{2}}}{\frac {\mathbf {r} }{r}}=0$$

कहाँ:

• $\mathbf {r}$ से स्थिति सदिश है $m_{1}$ को $m_{2}$ अदिश परिमाण के साथ $r$.
• ${\ddot {\mathbf {r} }}$ का दूसरी बार व्युत्पन्न है $\mathbf {r}$. (त्वरण)
• $G$ गुरुत्वाकर्षण स्थिरांक है.

गति के समीकरण के साथ स्थिति वेक्टर का क्रॉस उत्पाद है:

$$\mathbf {r} \times {\ddot {\mathbf {r} }}+\mathbf {r} \times {\frac {Gm_{1}}{r^{2}}}{\frac {\mathbf {r} }{r}}=0$$

क्योंकि $\mathbf {r} \times \mathbf {r} =0$ दूसरा पद लुप्त हो जाता है:

$$\mathbf {r} \times {\ddot {\mathbf {r} }}=0$$

इससे यह भी निकाला जा सकता है कि:

$${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\left(\mathbf {r} \times {\dot {\mathbf {r} }}\right)={\dot {\mathbf {r} }}\times {\dot {\mathbf {r} }}+\mathbf {r} \times {\ddot {\mathbf {r} }}=\mathbf {r} \times {\ddot {\mathbf {r} }}$$

इन दोनों समीकरणों को मिलाने पर प्राप्त होता है:

$${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\left(\mathbf {r} \times {\dot {\mathbf {r} }}\right)=0$$

चूँकि समय व्युत्पन्न शून्य के बराबर है, मात्रा $\mathbf {r} \times {\dot {\mathbf {r} }}$ स्थिर है. वेग वेक्टर का उपयोग करना $\mathbf {v}$ स्थिति परिवर्तन की दर के स्थान पर, तथा $\mathbf {h}$ विशिष्ट कोणीय गति के लिए:

$$\mathbf {h} =\mathbf {r} \times \mathbf {v}$$

स्थिर है.

यह संवेग के सामान्य निर्माण से भिन्न है, $\mathbf {r} \times \mathbf {p}$, क्योंकि इसमें विचाराधीन वस्तु का द्रव्यमान शामिल नहीं है।

ग्रहों की गति के केपलर के नियम

Main article: Kepler's laws of planetary motion

केप्लर के ग्रहों की गति के नियमों को उपरोक्त संबंधों से लगभग सीधे तौर पर सिद्ध किया जा सकता है।

पहला नियम

प्रमाण दो-शरीर समस्या के समीकरण के साथ फिर से शुरू होता है। इस बार कोई इसे (क्रॉस उत्पाद) विशिष्ट सापेक्ष कोणीय गति से गुणा करता है

$${\ddot {\mathbf {r} }}\times \mathbf {h} =-{\frac {\mu }{r^{2}}}{\frac {\mathbf {r} }{r}}\times \mathbf {h}$$

बायां हाथ व्युत्पन्न के बराबर है ${\textstyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\left({\dot {\mathbf {r} }}\times \mathbf {h} \right)}$ क्योंकि कोणीय संवेग स्थिर है।

कुछ चरणों के बाद (जिसमें ट्रिपल उत्पाद#वेक्टर ट्रिपल उत्पाद का उपयोग करना और अदिश को परिभाषित करना शामिल है ${\dot {r}}$ वेक्टर के मानदंड के विपरीत, रेडियल वेग होना ${\dot {\mathbf {r} }}$) दाहिना हाथ बन जाता है:

$$-{\frac {\mu }{r^{3}}}\left(\mathbf {r} \times \mathbf {h} \right)=-{\frac {\mu }{r^{3}}}\left(\left(\mathbf {r} \cdot \mathbf {v} \right)\mathbf {r} -r^{2}\mathbf {v} \right)=-\left({\frac {\mu }{r^{2}}}{\dot {r}}\mathbf {r} -{\frac {\mu }{r}}\mathbf {v} \right)=\mu {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\left({\frac {\mathbf {r} }{r}}\right)$$

इन दोनों अभिव्यक्तियों को समान स्थापित करने और समय के साथ एकीकरण करने से (एकीकरण की निरंतरता के साथ) होता है $\mathbf {C}$)

$${\dot {\mathbf {r} }}\times \mathbf {h} =\mu {\frac {\mathbf {r} }{r}}+\mathbf {C}$$

अब इस समीकरण को (डॉट उत्पाद) से गुणा किया जाता है $\mathbf {r}$ और पुनर्व्यवस्थित किया गया

$${\begin{aligned}\mathbf {r} \cdot \left({\dot {\mathbf {r} }}\times \mathbf {h} \right)&=\mathbf {r} \cdot \left(\mu {\frac {\mathbf {r} }{r}}+\mathbf {C} \right)\\\Rightarrow \left(\mathbf {r} \times {\dot {\mathbf {r} }}\right)\cdot \mathbf {h} &=\mu r+rC\cos \theta \\\Rightarrow h^{2}&=\mu r+rC\cos \theta \end{aligned}}$$

अंततः किसी को कक्षा समीकरण प्राप्त होता है

$$r={\frac {\frac {h^{2}}{\mu }}{1+{\frac {C}{\mu }}\cos \theta }}$$

जो अर्ध-लैटस मलाशय के साथ ध्रुवीय निर्देशांक में शंकु अनुभाग है ${\textstyle p={\frac {h^{2}}{\mu }}}$ और विलक्षणता ${\textstyle e={\frac {C}{\mu }}}$.

दूसरा नियम

विशिष्ट सापेक्ष कोणीय गति के निरपेक्ष मान की गणना करने के लिए दूसरा नियम तीन समीकरणों में से दूसरे समीकरण का तुरंत पालन करता है।

यदि कोई समीकरण के इस रूप को जोड़ता है ${\textstyle \mathrm {d} t={\frac {r^{2}}{h}}\,\mathrm {d} \theta }$ रिश्ते के साथ ${\textstyle \mathrm {d} A={\frac {r^{2}}{2}}\,\mathrm {d} \theta }$ एक अतिसूक्ष्म छोटे कोण वाले त्रिज्यखंड के क्षेत्रफल के लिए $\mathrm {d} \theta$ (एक बहुत छोटी भुजा वाला त्रिभुज), समीकरण

$$\mathrm {d} t={\frac {2}{h}}\,\mathrm {d} A$$

तीसरा नियम

केप्लर का तीसरा नियम दूसरे नियम का प्रत्यक्ष परिणाम है। एक क्रांति में एकीकृत करने से कक्षीय अवधि मिलती है

$$T={\frac {2\pi ab}{h}}$$

क्षेत्र के लिए $\pi ab$ एक दीर्घवृत्त का. अर्ध-लघु अक्ष को इसके साथ बदलना $b={\sqrt {ap}}$ और विशिष्ट सापेक्ष कोणीय गति के साथ $h={\sqrt {\mu p}}$ एक मिलता है

$$T=2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{\mu }}}$$

इस प्रकार अर्ध-प्रमुख अक्ष और उपग्रह की कक्षीय अवधि के बीच एक संबंध होता है जिसे केंद्रीय निकाय के स्थिरांक तक कम किया जा सकता है।

यह भी देखें

• विशिष्ट कक्षीय ऊर्जा, दो-शरीर समस्या में एक और संरक्षित मात्रा।
• Classical central-force problem § Specific angular momentum