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半長軸

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橢圓的半長軸 (a) 和半短軸 (b)。
航天动力学
Angular parameters of an elliptical orbit
橢圓的半長軸 (a) 和半短軸 (b)。

半長軸長半軸)是幾何學圓錐曲線最長的半徑或長軸的一半,因此是從中心穿過焦點到到周邊的最長線段。而長軸(或主軸)是幾何學橢圓最長的直徑:是一條貫穿中心和焦點,末端位於周邊中相距最遠的兩個點的線段。橢圓或雙曲線半短軸是一條與半長軸處於直角的線段,並且一端位於圓錐截面的中心。對於圓的特殊情況,半軸的長度都等於圓的半徑

橢圓的半長軸a的長度通過離心率e圓錐參數{\displaystyle \ell }與半短軸的長度b有關,如下所示:

b=a1e2,=a(1e2),a=b2.{\displaystyle {\begin{aligned}b&=a{\sqrt {1-e^{2}}},\\\ell &=a(1-e^{2}),\\a\ell &=b^{2}.\end{aligned}}}

根據定義,雙曲線的半長軸是兩個分支之間距離的正負二分之一。因此,它是從中心到雙曲線的頂點的距離。

拋物線可以作為橢圓序列的極限,其中一個焦點保持固定,而另一個焦點可以沿一個方向任意移動,保持{\displaystyle \ell }固定。因此ab趨於無窮大,ab快。

長軸和短軸是曲線的對稱軸:在橢圓中,短軸較短;在雙曲線中,它與雙曲線不相交。

橢圓

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橢圓的方程式是:

(xh)2a2+(yk)2b2=1,{\displaystyle {\frac {(x-h)^{2}}{a^{2}}}+{\frac {(y-k)^{2}}{b^{2}}}=1,}

其中(hk)是笛卡尔坐标系橢圓的中心,其中任意點由(xy)給出。

半長軸是橢圓距焦點的最大和最小距離rmax{\displaystyle r_{\text{max}}}rmin{\displaystyle r_{\text{min}}}的平均值— 即從焦點到長軸端點的距離

a=rmax+rmin2.{\displaystyle a={\frac {r_{\text{max}}+r_{\text{min}}}{2}}.}

天文學中,這些極值點稱為拱點

一個橢圓長軸是內部最長的直徑,會通過中心和兩個焦點,末端結束於橢圓曲線最寬處。半長軸是長軸的一半,始於中心點經過一個焦點並終結於橢圓的邊界。在特殊狀況a=b中,半長軸就是半徑。

半長軸的長度a{\displaystyle a\!}半短軸b{\displaystyle b\,\!} 的關係可以經由離心率e{\displaystyle e\,\!}半正焦弦{\displaystyle \ell \,\!}推導如下:

b=a1e2{\displaystyle b=a{\sqrt {1-e^{2}}}\,\!}
=a(1e2){\displaystyle \ell =a(1-e^{2})\,\!}.
a=b2{\displaystyle a\ell =b^{2}\,\!}.

抛物線可以被視為是橢圓的極限,將一個焦點固定,而另一個焦點被隨意的移至無窮遠處的方向上,但{\displaystyle \ell \,\!}仍保持不變。因此a{\displaystyle a\,\!}b{\displaystyle b\,\!}趨於無限大,a{\displaystyle a\,\!}仍比b{\displaystyle b\,\!}長。

半長軸是橢圓的一個焦點至邊界的最大距離和最小距離的平均值。現在考慮在極座標中的方程式,其中一個焦點位於原點,另一個焦點在x軸上,

r(1ecosθ)=l{\displaystyle r(1-e\cos \theta )=l\,\!}.

均值由r=1+e{\displaystyle r={\ell \over {1+e}}\,\!}r=1e{\displaystyle r={\ell \over {1-e}}\,\!},是a=1e2{\displaystyle a={\ell \over {1-e^{2}}}\,\!}.

雙曲線(又称半实轴)

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雙曲線的半長軸是兩個分支之間距離的一半。如果a是在X-軸的方向上,則方程式可以表示為:

(xh)2a2(yk)2b2=1{\displaystyle {\frac {\left(x-h\right)^{2}}{a^{2}}}-{\frac {\left(y-k\right)^{2}}{b^{2}}}=1}

在這個項目中的半正焦弦離心率如下:

a=e21{\displaystyle a={\ell \over e^{2}-1}}

雙曲線的橫軸延伸方向與半長軸的方向一致[1]

天文學

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軌道週期

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某些太陽系軌道(十字表示開普勒值)的軌道週期 T 與半長軸 a(遠日點和近日點的平均值)的雙對數圖,顯示a3/T2是常數(綠線)

太空動力學,以圓或橢圓軌道環繞中心天體運轉的小天體的軌道週期T{\displaystyle T},是:

T=2πa3/μ{\displaystyle T=2\pi {\sqrt {a^{3}/\mu }}}

此處:

a{\displaystyle a},是軌道的半長軸
μ{\displaystyle \mu }標準重力參數

無論離心率是如何,半長軸相同的橢圓都有相同的軌道週期

天文學,是軌道軌道元素中最重要的,他決定了軌道週期。對太陽系內的天體,半長軸與軌道週期的關係由克卜勒第三定律(原本只是經驗公式)來描述:

T2a3{\displaystyle T^{2}\propto a^{3}}

此處T是週期,單位為;a是半長軸,單位為AU。這個形式就是牛頓二體問題簡化後的形式:

T2=4π2G(M+m)a3{\displaystyle T^{2}={\frac {4\pi ^{2}}{G(M+m)}}a^{3}}

此處G是重力常數,M是中心天體的質量,而m是軌道上天體的質量。通常,當中心天體的值量遠大於環繞的天體時,m的質量可以忽略不計。座著這樣的假設和簡化之後,克卜勒發現的以天文單位簡化的形式就出現了。

值得注意的是,在軌道上的天體和主要的天體環繞著質心運動的路徑都是橢圓形。在天文學上的半長徑總是主、伴兩星之間的距離,因此行星的軌道參數都是以太陽為中心的項目。在"主體為中心"和"絕對"軌道之間的差別通過對地月系統的認是說明可以有更清楚的認識。質量的比是81.30059,地心的月球軌道半長軸是384,400公里;另一方面,"質心"的月球軌道半長軸是379,700公里,兩著的差別是4,700公里。月球相對於質心的平均軌道速度是1.010公里/秒,地球是0.012公里/秒,兩者之和是1.022公里/秒;同樣的,以地心的半長軸得到的月球軌道速度也是1.022公里/秒。

平均距離

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經常會說半長軸是主伴兩天體的平均距離,其實這樣說是不夠精確的,這與如何取得平均值有關。

橢圓的平均半徑,是以幾何上的中心來測量的,其值為ab=a1e24{\displaystyle {\sqrt {ab}}=a{\sqrt[{4}]{1-e^{2}}}\,\!}

時間的平均值與半徑成反比,r1{\displaystyle r^{-1}\,\!},是a1{\displaystyle a^{-1}\,\!}

能量:由狀態向量的半長軸計算

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太空動力學半長軸a{\displaystyle a},可以從軌道狀態向量得到:

a=μ2ϵ{\displaystyle a={-\mu \over {2\epsilon }}}(橢圓軌道)

a=μ2ϵ{\displaystyle a={\mu \over {2\epsilon }}}(雙曲線彈道)

ϵ=v22μ|r|{\displaystyle \epsilon ={v^{2} \over {2}}-{\mu \over \left|\mathbf {r} \right|}}特殊軌道能量

μ=GM{\displaystyle \mu =GM}標準重力參數

此處:

對特定的中心天體和總比能,無論離心率是多少,半長軸是一個定值。換言之,對特定的一個中心天體和半長軸,具有的總比能是一個定值。

例子

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國際太空站軌道週期是91.74分,它的軌道半長軸是6,738公里。

外部連結

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參考資料

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  1. ^7.1 Alternative Characterization. [2008-01-19]. (原始内容存档于2018-10-24). 
引力的轨道
类型
一般
地心
其他
参数
  • 形状
  • 大小
方向
位置
变化
机动英语Orbital maneuver
航天动力学
检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=半長軸&oldid=86631857
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