什么是三体问题?限制性三体问题模拟

什么是三体问题?限制性三体问题模拟

    三体问题是天体力学中的基本力学模型。它是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。

    三体问题(three-body problem)最简单的一个例子就是太阳系中太阳、地球和月球的运动。在浩瀚的宇宙中,星球的大小可以忽略不计,所以我们可以把它们看成质点。如果不计太阳系其他星球的影响,那么它们的运动就只是在引力的作用下产生的,所以我们就可以把它们的运动看成一个三体问题。

    研究三个可视为质点的天体在相互之间万有引力作用下的运动规律问题。这三个天体的质量、初始位置和初始速度都是任意的。在一般三体问题中,每一个天体在其他两个天体的万有引力作用下的运动方程都可以表示成3个二阶的常微分方程,或6个一阶的常微分方程。因此,一般三体问题的运动方程为十八阶方程,必须得到18个积分才能得到完全解。然而,还只能得到三体问题的16个积分,因此还远不能解决三体问题。

    本模拟器模拟三体问题的特殊情况:有一个天体的质量与其他两个天体的质量相比,小到可以忽略,即限制性三体问题。一般地把这个小质量的天体称为无限小质量体,或简称小天体;把两个大质量的天体称为有限质量体。 把小天体的质量看成无限小,就可不考虑它对两个有限质量体的吸引,也就是说,它不影响两个有限质量体的运动。于是,对两个有限质量体的运动状态的讨论,仍为二体问题,其轨道就是以它们的质量中心为焦点的圆锥曲线。根据圆锥曲线为圆、椭圆、抛物线和双曲线等四种不同情况,相应地限制性三体问题分四种类型﹕圆型限制性三体问题、椭圆型限制性三体问题、抛物线型限制性三体问题和双曲线型限制性三体问题。若小天体的初始位置和初始速度都在两个有限质量体的轨道平面上,则小天体将永远在运动。

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