У класічнай механіцы, задача двух цел заключаецца ў тым, каб вызначыць рух двух кропкавых часціц, якія ўзаемадзейнічаюць толькі адна з адною. Распаўсюджанымі прыкладамі задачы з’яўляюцца спадарожнік, які рухаецца вакол планеты, а таксама планета, якая рухаецца вакол зоркі, дзве зоркі, якія абарачаюцца вакол агульнага цэнтра мас (падвойная зорка), і класічная мадэль электрона, які рухаецца вакол атамнага ядра.
Задачу двух цел можна прадставіць як дзве незалежныя задачы аднаго цела, дзе разглядаецца рух адной часціцы ў вонкавым патэнцыяльным полі. Многія задачы з адным целам можна развязаць дакладна, таму адпаведную задачу з двума целамі таксама можна развязаць. Але задачу з трыма целамі (а тым больш задачу N цел пры N > 3) за выключэннем асобных выпадкаў дакладна развязаць немагчыма.
Няхай
x
1
{\displaystyle \mathbf {x} _{1}}
і
x
2
{\displaystyle \mathbf {x} _{2}}
радыус-вектары двух цел, а
m
1
{\displaystyle m_{1}}
і
m
2
{\displaystyle m_{2}}
іх масы. Наша мэта: вызначыць траекторыю
x
1
( t )
{\displaystyle \mathbf {x} _{1}(t)}
і
x
2
( t )
{\displaystyle \mathbf {x} _{2}(t)}
для любога часу
t
{\displaystyle t}
, пры зададзеных пачатковых каардынатах
x
1
0 ) ,
{\displaystyle \mathbf {x} _{1}(t=0),}
x
2
0 )
{\displaystyle \mathbf {x} _{2}(t=0)}
і хуткасцях
x
˙
1
0 ) ,
{\displaystyle {\dot {\mathbf {x} }}_{1}(t=0),}
x
˙
2
0 )
{\displaystyle {\dot {\mathbf {x} }}_{2}(t=0)}
.
Другі закон Ньютана ў дачыненні да дадзенай сістэмы сцвярджае, што
F
12
(
x
1
,
x
2
m
1
x
¨
1
( 1 )
{\displaystyle \mathbf {F} _{12}(\mathbf {x} _{1},\mathbf {x} _{2})=m_{1}{\ddot {\mathbf {x} }}_{1}\quad \quad \quad (1)}
F
21
(
x
1
,
x
2
m
2
x
¨
2
( 2 )
{\displaystyle \mathbf {F} _{21}(\mathbf {x} _{1},\mathbf {x} _{2})=m_{2}{\ddot {\mathbf {x} }}_{2}\quad \quad \quad (2)}
дзе
F
12
{\displaystyle \mathbf {F} _{12}}
— сіла, якая дзейнічае на першае цела з-за ўзаемадзеяннем з другім целам,
F
21
{\displaystyle \mathbf {F} _{21}}
— сіла, якая дзейнічае на другое цела з боку першага.
Складаючы і адымаючы гэтыя два ўраўненні, можна раздзяліць адну задачу на дзве задачы з адным целам, якія можна рашыць незалежна. “Складанне” раўнанняў (1) і (2) прыводзіць да раўнання, якое апісвае рух цэнтра мас. У адрозненне ад гэтага, “адыманне” раўнання (2) ад раўнання (1) прыводзіць да раўнання, якое апісвае, як вектар
r
≡
x
1
−
x
2
{\displaystyle \mathbf {r} \equiv \mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2}}
паміж масамі змяняецца з часам. Рашэнне гэтых незалежных задач можа дапамагчы ў знаходжанні траекторый
x
1
( t )
{\displaystyle \mathbf {x} _{1}(t)}
и
x
2
( t )
{\displaystyle \mathbf {x} _{2}(t)}
.
Складанне раўнанняў (1) і (2) прыводзіць да роўнасці
m
1
x
¨
1
m
2
x
¨
2
= (
m
1
m
2
)
x
¨
c m
=
F
12
F
21
= 0 ,
{\displaystyle m_{1}{\ddot {\mathbf {x} }}_{1}+m_{2}{\ddot {\mathbf {x} }}_{2}=(m_{1}+m_{2}){\ddot {\mathbf {x} }}_{cm}=\mathbf {F} _{12}+\mathbf {F} _{21}=0,}
дзе мы выкарысталі трэці закон Ньютана
F
12
= −
F
21
{\displaystyle \mathbf {F} _{12}=-\mathbf {F} _{21}}
, і дзе
x
c m
≡
m
1
x
1
m
2
x
2
m
1
m
2
{\displaystyle \mathbf {x} _{cm}\equiv {\frac {m_{1}\mathbf {x} _{1}+m_{2}\mathbf {x} _{2}}{m_{1}+m_{2}}}}
становішча цэнтра мас сістэмы. У выніку раўнанне прыме выгляд
x
¨
c m
= 0.
{\displaystyle {\ddot {\mathbf {x} }}_{cm}=0.}
Яно паказвае, што хуткасць
x
˙
c m
{\displaystyle {\dot {\mathbf {x} }}_{cm}}
цэнтра мас нязменная. Адсюль вынікае, што поўны імпульс
m
1
x
˙
1
m
2
x
˙
2
{\displaystyle m_{1}{\dot {\mathbf {x} }}_{1}+m_{2}{\dot {\mathbf {x} }}_{2}}
таксама захоўваецца. Становішча і хуткасць цэнтра мас можна атрымаць для любога моманту часу.
Адымаючы раўнанне (2) ад раўнання (1) і пераўтвараючы яго, прыходзім да раўнання
x
¨
1
−
x
¨
2
=
(
F
12
m
1
−
F
21
m
2
)
=
(
1
m
1
1
m
2
)
F
12
,
{\displaystyle {\ddot {\mathbf {x} }}_{1}-{\ddot {\mathbf {x} }}_{2}=\left({\frac {\mathbf {F} _{12}}{m_{1}}}-{\frac {\mathbf {F} _{21}}{m_{2}}}\right)=\left({\frac {1}{m_{1}}}+{\frac {1}{m_{2}}}\right)\mathbf {F} _{12},}
дзе мы зноў выкарысталі трэці закон Ньютана
F
12
= −
F
21
{\displaystyle \mathbf {F} _{12}=-\mathbf {F} _{21}}
і
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
(азначаны вышэй) - вектар адноснага зрушэння, накіраваны ад другога цела да першага.
Сіла паміж двума целамі павінна быць функцыяй толькі
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
, а не абсалютных радыус-вектараў
x
1
{\displaystyle \mathbf {x} _{1}}
і
x
2
{\displaystyle \mathbf {x} _{2}}
; у адваротным выпадку задача не была б сіметрычнай адносна пераносу ў прасторы і часе, а гэта раўназначна таму, што законы фізікі мяняліся б ад кропкі да кропкі. Такім чынам можна запісаць:
μ
r
¨
=
F
12
(
x
1
,
x
2
F
(
r
) ,
{\displaystyle \mu {\ddot {\mathbf {r} }}=\mathbf {F} _{12}(\mathbf {x} _{1},\mathbf {x} _{2})=\mathbf {F} (\mathbf {r} ),}
дзе
μ
{\displaystyle \mu }
1
1
m
1
1
m
2
=
m
1
m
2
m
1
m
2
.
{\displaystyle \mu ={\frac {1}{{\frac {1}{m_{1}}}+{\frac {1}{m_{2}}}}}={\frac {m_{1}m_{2}}{m_{1}+m_{2}}}.}
Як толькі мы знойдзем рашэнне для
x
c m
( t )
{\displaystyle \mathbf {x} _{cm}(t)}
і
r
( t ) ,
{\displaystyle \mathbf {r} (t),}
першапачатковыя траекторыі можна запісаць у выглядзе
x
1
x
c m
( t ) +
m
2
m
1
m
2
r
( t ) ;
{\displaystyle \mathbf {x} _{1}(t)=\mathbf {x} _{cm}(t)+{\frac {m_{2}}{m_{1}+m_{2}}}\mathbf {r} (t);}
x
2
x
c m
( t ) −
m
1
m
1
m
2
r
( t )
{\displaystyle \mathbf {x} _{2}(t)=\mathbf {x} _{cm}(t)-{\frac {m_{1}}{m_{1}+m_{2}}}\mathbf {r} (t)}
як можа быць паказана падстаноўкай ў ўраўненні для
x
c m
( t )
{\displaystyle \mathbf {x} _{cm}(t)}
і
r
( t )
{\displaystyle \mathbf {r} (t)}
.
Згодна з трэцім законам Ньютана сілы, з якімі целы дзейнічаюць адно на адно, роўныя па велічыні і процілеглыя па напрамку. Такім чынам, для задачы двух цел можна запісаць
m
1
r
¨
1
m
2
r
¨
2
= 0.
{\displaystyle m_{1}{\ddot {\mathbf {r} }}_{1}+m_{2}{\ddot {\mathbf {r} }}_{2}=0.}
Праінтэграваўшы гэта раўнанне два разы, атрымаем
m
1
r
˙
1
m
2
r
˙
2
=
a
;
{\displaystyle m_{1}{\dot {\mathbf {r} }}_{1}+m_{2}{\dot {\mathbf {r} }}_{2}=\mathbf {a} ;}
m
1
r
1
m
2
r
2
=
a
t +
b
,
{\displaystyle m_{1}\mathbf {r} _{1}+m_{2}\mathbf {r} _{2}=\mathbf {a} t+\mathbf {b} ,}
дзе a і b – некаторыя вектары.
Абазначыўшы праз r становішча (радыус-вектар) цэнтра цяжару двух цел і M - іх агульную масу:
m
1
m
2
;
{\displaystyle ~M=m_{1}+m_{2};}
M
r
=
m
1
r
1
m
2
r
2
,
{\displaystyle ~M\mathbf {r} =m_{1}\mathbf {r} _{1}+m_{2}\mathbf {r} _{2},}
атрымаем
M
r
˙
=
a
,
{\displaystyle ~M{\dot {\mathbf {r} }}=\mathbf {a} ,}
гэта значыць наступнае: цэнтр мас сістэмы рухаецца з пастаяннай хуткасцю.
Запішам сілы, якія дзейнічаюць на кожнае з цел, наступным чынам
r
¨
1
= G
m
2
r
r
3
;
r
¨
2
= − G
m
1
r
r
3
,
{\displaystyle ~{\ddot {\mathbf {r} }}_{1}=Gm_{2}{\frac {\mathbf {r} }{r^{3}}};;;;{\ddot {\mathbf {r} }}_{2}=-Gm_{1}{\frac {\mathbf {r} }{r^{3}}},}
где
r
=
r
2
−
r
1
.
{\displaystyle ~\mathbf {r} =\mathbf {r} _{2}-\mathbf {r} _{1}.}
Адымаючы другое раўнанне ад першага, атрымаем
r
¨
= −
μ
r
r
3
,
{\displaystyle ~{\ddot {\mathbf {r} }}=-{\frac {\mu \mathbf {r} }{r^{3}}},}
где
G (
m
1
m
2
) .
( 1 )
{\displaystyle ~\mu =G(m_{1}+m_{2}).;;;(1)}
Вектарна памнажаючы апошняе раўнанне на r і інтэгруючы, атрымаем
r
×
r
¨
= 0 ;
{\displaystyle ~\mathbf {r} \times {\ddot {\mathbf {r} }}=0;}
r
×
r
˙
=
h
.
{\displaystyle ~\mathbf {r} \times {\dot {\mathbf {r} }}=\mathbf {h} .}
Пастаянны вектар h, які з’яўляецца пастаяннай інтэгравання, называецца кінэтычным момантам сістэмы. Узаемны рух цел адбываецца ў плоскасці, перпендыкулярнай гэтаму вектару. Увядзём сістэму цыліндрычных каардынат r,?, z. Адзінкавыя вектары ўздоўж радыяльнай, трансверсальнай і вертыкальнай восі абазначым як i, j і k. Праекцыі хуткасці на радыяльную і трансверсальную восі складуць
r
˙
r
=
i
r ˙
;
r
˙
ϕ
=
j
r
ϕ ˙
,
r
˙
=
i
r ˙
j
r
ϕ ˙
.
{\displaystyle ~{\dot {\mathbf {r} }}_{r}=\mathbf {i} {\dot {r}};{\dot {\mathbf {r} }}=\mathbf {i} {\dot {r}}+\mathbf {j} r{\dot {\phi }}.}{\dot {\mathbf {r} }}_{\phi }=\mathbf {j} r{\dot {\phi }},
Тады
r
×
r
˙
=
h
;
{\displaystyle ~\mathbf {r} \times {\dot {\mathbf {r} }}=\mathbf {h} ;}
i
r × (
i
r ˙
j
r
ϕ ˙
k
h ;
{\displaystyle ~\mathbf {i} r\times (\mathbf {i} {\dot {r}}+\mathbf {j} r{\dot {\phi }})=\mathbf {k} h;}
i
r ×
j
r
ϕ ˙
=
k
h ;
{\displaystyle ~\mathbf {i} r\times \mathbf {j} r{\dot {\phi }}=\mathbf {k} h;}
k
r
2
ϕ ˙
=
k
h ;
{\displaystyle ~\mathbf {k} r^{2}{\dot {\phi }}=\mathbf {k} h;}
r
2
ϕ ˙
= h .
{\displaystyle ~r^{2}{\dot {\phi }}=h.}
У левай частцы апошняга выразу стаіць падвоеная плошча трохвугольніка, які апісваецца радыус-вектарам r за адзінку часу. Такім чынам, гэтыя суадносіны з’яўляюцца матэматычным запісам другога закона Кеплера.
Раўнанне (1) памнажаем скалярна на хуткасць і інтэгруем. Атрымаем
Падрабязны вывад
r
˙
⋅
r
¨
= − μ
r
˙
⋅
r
r
3
;
{\displaystyle ~{\dot {\mathbf {r} }}\cdot {\ddot {\mathbf {r} }}=-\mu {\frac {{\dot {\mathbf {r} }}\cdot \mathbf {r} }{r^{3}}};}
Распішам апошні выраз у каардынатах:
d x
d t
d
2
x
d
t
2
d y
d t
d
2
y
d
t
2
= −
μ
(
x
2
y
2
)
3
(
x
d x
d t
y
d y
d t
)
;
{\displaystyle ~{\frac {dx}{dt}}{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}+{\frac {dy}{dt}}{\frac {d^{2}y}{dt^{2}}}=-{\frac {\mu }{\sqrt {\left(x^{2}+y^{2}\right)^{3}}}}\left(x{\frac {dx}{dt}}+y{\frac {dy}{dt}}\right);}
d x
d t
d
(
d x
d t
)
d y
d t
d
(
d y
d t
)
= −
μ
(
x d x + y d y
)
(
x
2
y
2
)
3
.
{\displaystyle ~{\frac {dx}{dt}}d\left({\frac {dx}{dt}}\right)+{\frac {dy}{dt}}d\left({\frac {dy}{dt}}\right)=-{\frac {\mu \left(xdx+ydy\right)}{\sqrt {\left(x^{2}+y^{2}\right)^{3}}}}.}
Памецім, што
d
(
r
2
)
= d
(
x
2
y
2
)
= 2 x d x + 2 y d y .
{\displaystyle ~d\left(r^{2}\right)=d\left(x^{2}+y^{2}\right)=2xdx+2ydy.}
Тады
d x
d t
d
(
d x
d t
)
d y
d t
d
(
d y
d t
)
= −
μ 2
(
r
2
)
− 3
/
2
d
(
r
2
)
.
{\displaystyle ~{\frac {dx}{dt}}d\left({\frac {dx}{dt}}\right)+{\frac {dy}{dt}}d\left({\frac {dy}{dt}}\right)=-{\frac {\mu }{2}}\left(r^{2}\right)^{-3/2}d\left(r^{2}\right).}
Інтэгруючы абедзве часткі, атрымаем
1 2
(
d x
d t
)
2
1 2
(
d y
d t
)
2
= −
μ 2
(
r
2
)
− 1
/
2
− 1
/
2
C ;
{\displaystyle ~{\frac {1}{2}}\left({\frac {dx}{dt}}\right)^{2}+{\frac {1}{2}}\left({\frac {dy}{dt}}\right)^{2}=-{\frac {\mu }{2}}{\frac {\left(r^{2}\right)^{-1/2}}{-1/2}}+C;}
v
2
2
=
μ r
C ;
{\displaystyle ~{\frac {v^{2}}{2}}={\frac {\mu }{r}}+C;}
v
2
2
−
μ r
= C .
{\displaystyle ~{\frac {v^{2}}{2}}-{\frac {\mu }{r}}=C.}
Апошні стасунак з’яўляецца выражэннем закону захавання механічнай энергіі ў сістэме.
Цікава, што рух двух цел заўсёды адбываецца ў плоскасці. Вызначым імпульс
p
= μ
r
˙
{\displaystyle \mathbf {p} =\mu {\dot {\mathbf {r} }}}
і момант імпульсу
L
=
r
×
p
{\displaystyle \mathbf {L} =\mathbf {r} \times \mathbf {p} }
Хуткасць змянення моманту імпульсу роўная моманту сілы
N
{\displaystyle \mathbf {N} }
d
L
d t
=
r
˙
× μ
r
˙
r
× μ
r
¨
=
r
×
F
=
N
,
{\displaystyle {\frac {d\mathbf {L} }{dt}}={\dot {\mathbf {r} }}\times \mu {\dot {\mathbf {r} }}+\mathbf {r} \times \mu {\ddot {\mathbf {r} }}=\mathbf {r} \times \mathbf {F} =\mathbf {N} ,}
але законы руху Ньютана выконваюцца для ўсіх фізічных сіл, і кажуць, што сіла, якая дзейнічае паміж двума часціцамі (матэрыяльнымі кропкамі), накіравана па лініі, якая злучае іх, гэта значыць
F
|
|
r
.
{\displaystyle \mathbf {F} ||\mathbf {r} .}
Адсюль
r
×
F
= 0
{\displaystyle \mathbf {r} \times \mathbf {F} =0}
і момант імпульсу захоўваецца. Тады вектар зрушэння
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
і хуткасць яго змянення
r
˙
{\displaystyle {\dot {\mathbf {r} }}}
ляжаць у плоскасці, перпендыкулярнай да пастаяннага вектара
L
{\displaystyle \mathbf {L} }
.
Часта бывае зручна перайсці ў палярныя каардынаты, бо рух адбываецца ў плоскасці і для многіх фізічных задач сіла
F
(
r
)
{\displaystyle \mathbf {F} (\mathbf {r} )}
ёсць функцыяй радыуса
r .
{\displaystyle r.}
А раз r-кампанента паскарэння раўняецца
r ¨
− r
θ ˙
2
,
{\displaystyle {\ddot {r}}-r{\dot {\theta }}^{2},}
ураўненне для r-кампаненты вектара зрушэння
μ
r
¨
=
F
( r ) ≡ F ( r )
{\displaystyle \mu {\ddot {\mathbf {r} }}=\mathbf {F} (r)\equiv F(r)}
можна перапісаць у выглядзе
μ
d
2
r
d
t
2
− μ r
ω
2
= μ
d
2
r
d
t
2
−
L
2
μ
r
3
= F ( r ) ,
{\displaystyle \mu {\frac {d^{2}r}{dt^{2}}}-\mu r\omega ^{2}=\mu {\frac {d^{2}r}{dt^{2}}}-{\frac {L^{2}}{\mu r^{3}}}=F(r),}
дзе
ω ≡
θ ˙
{\displaystyle \omega \equiv {\dot {\theta }}}
і момант імпульсу
μ
r
2
ω
{\displaystyle L=\mu r^{2}\omega }
захоўваецца. Захаванне вуглавога моманту дазваляе знайсці рашэнне для траекторыі
r ( θ )
{\displaystyle r(\theta )}
, выкарыстоўваючы замену зменных. Пераходзячы ад
t
{\displaystyle t}
да
θ
{\displaystyle \theta }
d
d t
=
L
μ
r
2
d
d θ
{\displaystyle {\frac {d}{dt}}={\frac {L}{\mu r^{2}}}{\frac {d}{d\theta }}}
атрымаем ўраўненне руху
L
r
2
d
d θ
(
L
μ
r
2
d r
d θ
)
−
L
2
μ
r
3
= F ( r )
{\displaystyle {\frac {L}{r^{2}}}{\frac {d}{d\theta }}\left({\frac {L}{\mu r^{2}}}{\frac {dr}{d\theta }}\right)-{\frac {L^{2}}{\mu r^{3}}}=F(r)}
Гэтае ураўненне становіцца квазілінейным пры замене зменных
u ≡
1 r
{\displaystyle u\equiv {\frac {1}{r}}}
і дамнажэнне абедзвюх частак ўраўнення на
μ
r
2
L
2
=
μ
L
2
u
2
{\displaystyle {\frac {\mu r^{2}}{L^{2}}}={\frac {\mu }{L^{2}u^{2}}}}
d
2
u
d
θ
2
−
μ
L
2
u
2
F ( 1
/
u )
{\displaystyle {\frac {d^{2}u}{d\theta ^{2}}}+u=-{\frac {\mu }{L^{2}u^{2}}}F(1/u)}
Для сіл
F
{\displaystyle F}
, адваротна прапарцыйных квадрату адлегласці, такіх як гравітацыя або электрастатыка ў класічнай фізіцы, атрымаем
α
r
2
= α
u
2
{\displaystyle F={\frac {\alpha }{r^{2}}}=\alpha u^{2}}
для некаторых канстант
α
{\displaystyle \alpha }
, ўраўненне для траекторый становіцца лінейным
d
2
u
d
θ
2
α μ
L
2
{\displaystyle {\frac {d^{2}u}{d\theta ^{2}}}+u={\frac {\alpha \mu }{L^{2}}}}
Рашэнне гэтага ўраўнення
u ( θ ) ≡
1
r ( θ )
=
α μ
L
2
A cos ( θ −
θ
0
) ,
{\displaystyle u(\theta )\equiv {\frac {1}{r(\theta )}}={\frac {\alpha \mu }{L^{2}}}+A\cos(\theta -\theta _{0}),}
дзе
A
0
{\displaystyle A>0}
і
θ
0
{\displaystyle \theta _{0}}
- пастаянныя. Гэтае рашэнне паказвае, што арбіта ўяўляе сабой канічнае сячэнне, г.зн. эліпс, гіпербалу або парабалу, у залежнасці ад таго
A
{\displaystyle A}
меншая за выраз
α μ
L
2
{\displaystyle {\frac {\alpha \mu }{L^{2}}}}
, большая ці роўная яму.
Нармальная арбіта любога цела, захопленага прыцягненнем іншага цела, уяўляе сабой эліпс або акружнасць - іменна такія арбіты мы назіраем у Сонечнай сістэме. Аднак агульная тэорыя адноснасці сцвярджае, што ў наваколлі вельмі масіўных цел - там, дзе прастора аказваецца моцна скрыўленая дзякуючы наяўнасці каласальнага гравітацыйнага поля спектр магчымых стабільных арбіт значна пашыраецца. У падобных умовах фізічныя аб’екты пачынаюць паводзіць сябе вельмі дзіўна. Напрыклад, цела можа падляцець да чорнай дзіркі па крутой парабале, зрабіць вакол яе некалькі імклівых кароткіх віткоў, а затым зноў закласці выцягнутую пятлю - і гэтак далей.
Любая класічная сістэма, якая складаецца з двух часціц, па азначэнню задача двух цел. У многіх выпадках, аднак, адно цела шмат цяжэйшае за другое, як напрыклад у сістэме Зямлі і Сонца. У такіх выпадках больш цяжкая часціца выконвае ролю цэнтра мас і задача зводзіцца да задачы аб руху аднаго цела ў патэнцыяле другога.[1]. Пры гэтым варта не губляць з ўвазе, што з’яўляецца рызыка страты патрэбнай дакладнасці разлікаў пры злоўжыванні гэтым спрашчэннем. У прыватнасці, знаходжанне месца цэнтра кручэння ў больш масіўным целе расплывісте, у рэаліях яшчэ патрэбен ўлік іншых целаў і палёў. Патрэбен папярэдні аналіз, асабліва пры разліку устояных і стацыянарных арбіт: шматразовае кручэнне непазбежна назапасіць недакладнасці да непрымальнай велічыні памылкі.