Введение

Эллиптическая орбита — это орбита Кеплера с эксцентриситетом меньше 1; это включает в себя частный случай круговой орбиты, при эксцентриситете, равном 0. В более строгом смысле, это орбита Кеплера с эксцентриситетом больше 0 и меньше 1 (исключая, таким образом, круговую орбиту). В более широком смысле, это орбита Кеплера с отрицательной энергией. Это также включает радиальную эллиптическую орбиту, при эксцентриситете, равном 1. В гравитационной задаче двух тел с отрицательной энергией, оба тела движутся по схожим эллиптическим орбитам с одинаковым орбитальным периодом вокруг их общего барицентра. Относительное положение одного тела по отношению к другому также описывается эллиптической орбитой. Примеры эллиптических орбит включают орбиты Гомана, орбиты «Молния» и орбиты «Тундра».

Орбитальные параметры

Состояние орбитального тела в любой момент времени определяется его положением и скоростью относительно центрального тела, которые могут быть представлены трехмерными декартовыми координатами (положение орбитального тела, заданное x, y и z) и аналогичными декартовыми компонентами его скорости. Этот набор из шести переменных вместе со временем называется вектором состояния орбиты. Зная массы двух тел, можно определить полную орбиту. Два наиболее общих случая, характеризующихся этими 6 степенями свободы, – эллиптическая и гиперболическая орбиты. Круговая и параболическая орбиты являются частными случаями с меньшим числом степеней свободы. Поскольку для полного описания эллиптической орбиты с использованием данного набора параметров требуется как минимум шесть переменных, то для описания орбиты с любым набором параметров необходимо шесть переменных. Другой распространенный набор из шести параметров – это элементы орбиты.

Солнечная система

В Солнечной системе планеты, астероиды, большинство комет и некоторые фрагменты космического мусора имеют приблизительно эллиптические орбиты вокруг Солнца. Строго говоря, оба тела вращаются вокруг одной и той же фокусной точки эллипса, расположенной ближе к более массивному телу, но когда одно тело значительно массивнее другого, например, Солнце по отношению к Земле, фокус может находиться внутри более массивного тела, и тогда говорят, что меньшее тело вращается вокруг него. Следующая диаграмма, показывающая перигелий и афелий планет, карликовых планет и кометы Галлея, демонстрирует различие в эксцентриситете их эллиптических орбит. Для схожих расстояний от Солнца более широкие столбцы соответствуют большему эксцентриситету. Обратите внимание на почти нулевой эксцентриситет Земли и Венеры по сравнению с огромным эксцентриситетом кометы Галлея и Эриды.

Радиальная эллиптическая траектория

Радиальная траектория может быть двойным отрезком, представляющим собой вырожденный эллипс с малой полуосью, равной 0, и эксцентриситетом, равным 1. Несмотря на эксцентриситет, равный 1, это не параболическая орбита. К ней применимы большинство свойств и формул эллиптических орбит. Однако орбита не может быть замкнутой. Это открытая орбита, соответствующая части вырожденного эллипса от момента касания тел и их удаления друг от друга до повторного касания. В случае точечных масс возможна одна полная орбита, начинающаяся и заканчивающаяся сингулярностью. Скорости в начале и конце бесконечны и направлены в противоположные стороны, а потенциальная энергия равна минус бесконечности. Радиальная эллиптическая траектория является решением задачи двух тел с нулевой скоростью в некоторый момент времени, как, например, при падении объекта (пренебрегая сопротивлением воздуха).

История

Вавилоняне первыми осознали, что движение Солнца по эклиптике неравномерно, хотя и не понимали причин этого. Сегодня известно, что это связано с тем, что Земля движется по эллиптической орбите вокруг Солнца, ускоряясь вблизи Солнца в перигелии и замедляясь на большем расстоянии в афелии. В XVII веке Иоганн Кеплер открыл, что планеты движутся по эллиптическим орбитам, в которых Солнце находится в одном из фокусов, и сформулировал это в своем первом законе движения планет. Впоследствии Исаак Ньютон объяснил это как следствие закона всемирного тяготения.