Гравитацио́нная зада́ча N тел является классической проблемой небесной механики и гравитационной динамики Ньютона.
Она формулируется следующим образом.
В пустоте находится N материальных точек, массы которых известны {mi}. Пусть попарное взаимодействие точек подчинено закону тяготения Ньютона, и пусть силы гравитации аддитивны. Пусть известны начальные на момент времени t=0 положения и скорости каждой точки ri|t =0 = ri0, vi|t =0 = vi0. Требуется найти положения точек для всех последующих моментов времени.
Содержание |
Эволюция системы N гравитирующих тел (материальных точек) описывается следующей системой уравнений:
где — масса, радиус-вектор и скорость i-го тела соответственно (i изменяется от 1 до N), G — гравитационная постоянная. Массы тел, а также положения и скорости в начальный момент времени считаются известными. Необходимо найти положения и скорости всех частиц в произвольный момент времени.
Несмотря на кажущуюся простоту формул, аналитического решения данной задачи в общем виде для N>3 не существует. Как показал Генрих Брунс, задача многих тел имеет только 10 независимых алгебраических интегралов движения, которые были найдены в XVIII веке и которых недостаточно для интегрирования задачи трёх и более тел[3]. Свои обобщения этой теоремы предложили Пенлеве и Пуанкаре. Пенлеве удалось отказаться от требования алгебраичности зависимости от координат, Пуанкаре же высказал гипотезу о том, что не существует нового однозначного интеграла (все классические интегралы, кроме интеграла энергии, являются однозначными функциями). Это последнее утверждение, по всей видимости, до сих пор строго не доказано в столь общей формулировке.
Приведем для справки комментарий В. М. Алексеева (1971 г.) к соответствующему пассажу в Небесной механике Пуанкаре[4]:
Несуществование однозначного аналитического интеграла в задаче трёх тел до сих пор не доказано с полной строгостью… Первое аккуратное доказательство неинтегрируемости гамильтоновой системы достаточно общего вида принадлежит Зигелю[5]. Интересно отметить, что неаналитические интегралы в рассматриваемых задачах возможны; их существование вытекает из одной теоремы Колмогорова[6]. Напротив, в случае, когда число переменных более двух, вероятнее всего, невозможен даже непрерывный интеграл[7].
С появлением компьютерной техники появилась реальная возможность изучать свойства систем гравитирующих тел путём численного решения системы уравнений движения. Для этого используются чаще всего следующие численные методы:
Численные методы сталкиваются с теми же проблемами, что и аналитические — при тесных сближениях тел необходимо уменьшать шаг интегрирования, а при этом быстро растут численные ошибки. Кроме того, при «прямом» интегрировании число вычислений силы растёт приблизительно как , что делает практически невозможным моделирование систем, состоящих из десятков и сотен тысяч тел.
Для решения этой проблемы применяют следующие алгоритмы (или их комбинации):
Соответственно, регулярную силу можно перевычислять с гораздо большим шагом, чем иррегулярную.
Небесная механика | |
---|---|
Законы и задачи | Законы Ньютона | Закон всемирного тяготения | Законы Кеплера | Задача двух тел | Задача трёх тел | Гравитационная задача N тел | Задача Бертрана | Уравнение Кеплера |
Небесная сфера | Система небесных координат: галактическая • горизонтальная • первая экваториальная • вторая экваториальная • эклиптическая | Международная небесная система координат | Сферическая система координат | Ось мира | Небесный экватор | Прямое восхождение | Склонение | Эклиптика | Равноденствие | Солнцестояние | Фундаментальная плоскость |
Параметры орбит | Кеплеровы элементы орбиты: эксцентриситет • большая полуось • средняя аномалия • долгота восходящего узла • аргумент перицентра | Апоцентр и перицентр | Орбитальная скорость | Узел орбиты | Эпоха |
Движение небесных тел |
Движение Солнца и планет по небесной сфере | Эфемериды | Конфигурации планет: противостояние • квадратура • парад планет| Кульминация | Сидерический период | Орбитальный резонанс | Период вращения | Предварение равноденствий | Синодический период | Сближение | Затмение: солнечное затмение • лунное затмение • сарос • Метонов цикл | Покрытие | Прохождение | Либрация | Элонгация | Эффект Козаи | Эффект Ярковского | Эффект Джанибекова |
Астродинамика | |
Космический полёт | Космическая скорость: первая (круговая) • вторая (параболическая) • третья • четвёртая | Формула Циолковского | Гравитационный манёвр | Гомановская траектория | Метод оскулирующих элементов | Приливное ускорение| Изменение наклонения орбиты | Стыковка | Точки Лагранжа | Эффект «Пионера» |
Орбиты КА | Геостационарная орбита | Гелиоцентрическая орбита | Геосинхронная орбита | Геоцентрическая орбита | Геопереходная орбита | Низкая опорная орбита | Полярная орбита | Тундра-орбита | Солнечно-синхронная орбита | Молния-орбита | Оскулирующая орбита |
Гравитационная задача N тел.