Celestial Mechanics

Sách Cơ học thiên thể

Cơ học thiên thể là một nhánh của cơ học cổ điển nghiên cứu chuyển động của các thiên thể, chẳng hạn như hành tinh, mặt trăng, tiểu hành tinh, sao chổi và các vật thể khác trong không gian, dưới tác động của lực hấp dẫn. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu cơ bản trong thiên văn học và vật lý thiên văn, tập trung vào việc tìm hiểu chuyển động và tương tác của các thiên thể trong khuôn khổ của cơ học Newton hoặc, trong trường hợp chính xác hơn, với sự kết hợp của thuyết tương đối rộng của Einstein.

Các khái niệm và nguyên tắc chính của Cơ học thiên thể:

1. Các định luật về chuyển động của hành tinh Kepler: Johannes Kepler đã xây dựng ba định luật về chuyển động của các hành tinh vào đầu thế kỷ 17 dựa trên các quan sát thiên văn của Tycho Brahe. Các định luật này mô tả quỹ đạo của các hành tinh quanh Mặt trời:

Một. Định luật thứ nhất của Kepler (Định luật hình elip): Các hành tinh chuyển động theo quỹ đạo hình elip, với Mặt trời là một trong các tiêu điểm.

b. Định luật thứ hai của Kepler (Định luật diện tích bằng nhau): Đoạn thẳng nối một hành tinh và Mặt trời quét những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau.

c. Định luật thứ ba của Kepler (Định luật hài hòa): Bình phương chu kỳ quỹ đạo của một hành tinh tỷ lệ thuận với lập phương của bán trục lớn quỹ đạo của nó.

2. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton: Định luật vạn vật hấp dẫn của Sir Isaac Newton, được công bố vào cuối thế kỷ 17, giải thích lực hấp dẫn giữa hai vật bất kỳ có khối lượng. Lực hấp dẫn giữa hai vật tỉ lệ thuận với tích hai khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các tâm của chúng.

3. Bài toán hai vật thể: Bài toán hai vật thể là một kịch bản đơn giản hóa trong cơ học thiên thể, trong đó chuyển động của hai thiên thể được xem xét, giả sử không có ảnh hưởng hấp dẫn đáng kể nào khác.

4. Bài toán vật thể N: Bài toán vật thể N là một kịch bản phức tạp hơn trong đó các tương tác hấp dẫn giữa ba hoặc nhiều thiên thể được tính đến. Việc tìm kiếm các giải pháp phân tích cho các hệ thống N-body ngoài hai vật thể thường là một thách thức, dẫn đến sự phát triển của các phương pháp số và mô phỏng máy tính để dự đoán chính xác.

5. Nhiễu loạn: Trong cơ học thiên thể, nhiễu loạn đề cập đến những thay đổi hoặc nhiễu loạn nhỏ trong chuyển động của các thiên thể do tương tác hấp dẫn với các thiên thể khác gây ra. Những nhiễu loạn này có thể dẫn đến những thay đổi về quỹ đạo và thậm chí những thay đổi dài hạn về vị trí của các hành tinh và các vật thể khác.

6. Các phần tử quỹ đạo: Các phần tử quỹ đạo là các tham số toán học được sử dụng để mô tả hình dạng, hướng và vị trí của một quỹ đạo. Chúng là nền tảng trong việc dự đoán vị trí và chuyển động trong tương lai của các thiên thể.

Cơ học thiên thể đóng một vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu chuyển động của các thiên thể trong hệ mặt trời của chúng ta và hơn thế nữa. Nó cho phép các nhà thiên văn học và vật lý thiên văn dự đoán chính xác vị trí của các hành tinh, mặt trăng và các vật thể khác, điều này rất cần thiết cho các sứ mệnh không gian, quan sát thiên văn và khám phá không gian nói chung. Ngoài ra, cơ học thiên thể đã đóng vai trò quan trọng trong việc khám phá và nghiên cứu các ngoại hành tinh, sóng hấp dẫn và nhiều hiện tượng khác trong vũ trụ.