Гауссова постоянная тяготения (символ K ) представляет собой параметр , используемый в орбитальной механике в Солнечной системе . Он связывает период обращения с большой полуосью орбиты и массой движущегося по орбите тела в массах Солнца .
Значение k исторически выражает среднюю угловую скорость системы Земля + Луна и Солнце, рассматриваемую как проблему двух тел , со значением около 0,986 градуса в день , или около 0,0172 радиана в день. Как следствие закона всемирного тяготения и третьего закона Кеплера , к прямо пропорциональна квадратному корню из стандартного гравитационного параметра от Солнца , и его значение в радианах в день следует путем установки полуглавной оси Земли ( астрономическая единица , а.е. ) к единице, k : (рад / d) = (G М ☉ ) 0,5 · Au -1,5 .
Значение k =0,017 202 098 95 рад / день было определено Карлом Фридрихом Гауссом в его работе 1809 года Theoria Motus Corporum Coelestium in Sectionibus Conicis Solem Ambientum («Теория движения небесных тел, движущихся вокруг Солнца в конических сечениях»). [1] Значение Гаусса было введено МАС как фиксированное, определенное значение (принятое в 1938 году, официально определенное в 1964 году), которое отделило его от непосредственного представления (наблюдаемой) средней угловой скорости системы Солнце-Земля. Вместо этого астрономическая единицатеперь стало измеряемой величиной, немного отличной от единицы. Это было полезно в небесной механике 20-го века, чтобы предотвратить постоянную адаптацию параметров орбиты к обновленным измеренным значениям, но это произошло за счет интуитивности, поскольку астрономическая единица, якобы единица длины, теперь зависела от измерения сила гравитационной силы .
МАС отказался от определенного значения k в 2012 году в пользу определенного значения астрономической единицы1.495 978 707 × 10 11 м , в то время как сила гравитационной силы теперь должна быть выражена в отдельном стандартном гравитационном параметре G M ☉ , измеряемом в единицах СИ м 3 ⋅s −2 . [2]
Обсуждение [ править ]
Постоянная Гаусса получается из применения третьего закона Кеплера к системе Земля + Луна и Солнце, рассматриваемой как проблема двух тел , связывая период обращения ( P ) с большой полуосью орбиты ( a ) и общая масса вращающихся тел ( M ). Его числовое значение было получено путем установки большой полуоси и массы Солнца на единицу и измерения периода в средних солнечных днях:
- k = 2 π / ( P √ a √ M ) ≈ 0,0172021 [рад], где:
- P ≈ 365,256 [дней], M = ( M ☉ + M ⊕ + M ☾ ) ≈ 1,00000304 [ M ☉ ], и a = 1 по определению.
Это значение представляет собой среднее угловое движение системы Земля-Солнце в радианах в сутки , что эквивалентно значению чуть меньше одного градуса (деление круга на 360 градусов в вавилонской астрономии, вероятно, предполагалось как приблизительное количество дней в солнечный год [3] ). Поправка за счет деления на квадратный корень из M отражает тот факт, что система Земля – Луна вращается не вокруг самого Солнца, а вокруг центра масс системы.
Сам Исаак Ньютон определил значение этой постоянной, которое согласовывалось со значением Гаусса с точностью до шести значащих цифр. [4] Гаусс (1809) дал значение с девятью значащими цифрами, как 3548,18761 угловые секунды .
Поскольку все задействованные параметры, орбитальный период , отношение масс Земли к Солнцу , большая полуось и длина среднего солнечного дня подлежат все более точным измерениям, точное значение постоянной необходимо будет пересмотреть. через некоторое время. Но поскольку константа участвует в определении орбитальных параметров всех других тел Солнечной системы, было обнаружено, что более удобно установить ее на фиксированное значение, по определению, подразумевая, что значение a будет отклоняться от единицы. За фиксированное значение k = 0,01720209895 [рад] было принято значение, установленное Гауссом (преобразованное из градусов в радианы ), так что a = 4π 2 :( k 2 P 2 M ) ≈ 1. [5]
1809 значения Гаусса константы, таким образом , используется в качестве авторитетного эталонного значения для орбитальной механики в Солнечной системе в течение двух столетий. С момента своего появления до 1938 года она считалась измеряемой величиной, а с 1938 по 2012 год она использовалась как определенная величина, при этом неопределенность измерения делегировалась величине астрономической единицы . Определенное значение k было отказано в МАС в 2012 году, и использование k было объявлено устаревшим, его заменили фиксированным значением астрономической единицы и (измеренной) величиной стандартного гравитационного параметра G M ☉ .
Роль как определяющая константа динамики Солнечной системы [ править ]
Сам Гаусс назвал константу в угловых секундах с девятью значащими цифрами как k = 3548 ″ 0,187 61 . В конце 19 - го века, было принято это значение, и преобразуется в радианах , по Саймон Ньюкомб , как и к = 0,017 202 098 95 . [6], и в этой форме константа появляется в его Таблицах Солнца , опубликованных в 1898 году. [7]
Работа Ньюкома была широко признана как лучшая из доступных на тот момент [8], а его значения констант были включены в большое количество астрономических исследований. Из-за этого стало трудно отделить константы от исследования; новые значения констант сделали бы, по крайней мере частично, недействительным большой объем работы. Следовательно, после образования Международного астрономического союза в 1919 году некоторые константы стали постепенно приниматься как «фундаментальные»: определяющие константы, из которых были получены все остальные. В 1938 году VI Генеральная ассамблея МАС объявила:
В качестве постоянной Гаусса примем значение
к = 0,01720 20989 50000
единицей времени являются средние солнечные сутки 1900,0 [9]
Однако никаких дальнейших усилий по установлению набора констант не предпринималось до 1950 года. [10] Симпозиум МАС по системе констант был проведен в Париже в 1963 году, частично в ответ на недавние события в освоении космоса. [6] В конце концов участники решили установить согласованный набор констант. Резолюция 1 гласила, что
Новая система должна определяться неизбыточным набором фундаментальных констант и явными отношениями между ними и константами, производными от них.
Рекомендуемое разрешение 4
что рабочая группа должна рассматривать следующие величины как фундаментальные константы (в смысле Резолюции № 1).
В список фундаментальных констант был включен
Гауссовская постоянная гравитации, определенная на VI Генеральной ассамблее МАС в 1938 году, имеет значение 0,017202098950000. [6]
Эти резолюции были приняты рабочей группой МАС, которая в своем отчете рекомендовала две определяющие константы, одна из которых была
Гауссова гравитационная постоянная, определяющая au k = 0,01720209895 [6]
Впервые была официально признана роль постоянной Гаусса в масштабе Солнечной системы. Рекомендации рабочей группы были приняты на XII Генеральной ассамблее МАС в Гамбурге, Германия, в 1964 году. [11]
Определение астрономической единицы [ править ]
Гаусс намеревался определить свою постоянную, используя среднее расстояние [примечание 1] Земли от Солнца, равное точно 1 астрономической единице . [6] С принятием резолюций 1964 года МАС, по сути, сделал противоположное: определил константу как фундаментальную, а астрономическую единицу как производную, при этом другие переменные в определении были уже фиксированными: масса (Солнца) , и время (день86 400 секунд). Это перенесло неопределенность из гравитационной постоянной в неопределенность в большой полуоси системы Земля-Солнце, которая больше не равнялась точно одному а.е. (а.е. определяется как зависящее от значения гравитационной постоянной). Таким образом, астрономическая единица стала измеряемой величиной, а не определенной фиксированной единицей. [12]
В 1976 году МАС подтвердил статус гауссовой постоянной на XVI Генеральной ассамблее в Гренобле [13], объявив ее определяющей константой, и что
Астрономическая единица длины - это длина ( A ), для которой гравитационная постоянная Гаусса ( k ) принимает значение0,017 202 098 95, если единицами измерения являются астрономические единицы длины, массы и времени. Размеры k 2 - это размеры постоянной гравитации ( G ), то есть L 3 M −1 T −2 . Термин «единичное расстояние» также используется для обозначения длины ( A ).
Исходя из этого определения, среднее расстояние Земли от Солнца составляет 1.000 000 03 а.е. , но с возмущениями со стороны других планет, которые не стремятся к нулю с течением времени, среднее расстояние составляет1,000 0002 а.е. . [6]
Отказ [ править ]
В 2012 году МАС, как часть нового согласованного набора единиц и числовых стандартов для использования в современной динамической астрономии, переопределил астрономическую единицу как [14]
условная единица длины, равная 149 597 870 700 м ровно, ... ... учитывая, что точность современных измерений дальности делает ненужным использование отношения расстояний
и поэтому отказались от гауссовой постоянной как косвенного определения масштаба в Солнечной системе, рекомендуя
удалить гауссову гравитационную постоянную k из системы астрономических констант.
Значение k, основанное на определенном значении для астрономической единицы, теперь будет зависеть от неопределенности измерения стандартного гравитационного параметра ,
Единицы и размеры [ править ]
К задается в виде единичных менее фракций порядка 1,7%, но это можно считать эквивалентным квадратный корень из гравитационных постоянная , [15] , в этом случае он имеет единицы из а.е. 3 / 2 ⋅d - 1 ⋅ М ☉ - 1 / 2 , [6] , где
- АС является расстоянием , для которого к принимает значение , как определен Гаусса-расстояние от невозмущенной круговой орбиты гипотетического, безмассового тела которого орбитального период является2π/kдней, [12]
- d - средний солнечный день (86400 секунд),
- M ☉ является масса из Солнца .
Таким образом, размеры от к в [16]
- Длина 3 / 2 раз -1 масса - 1 / 2 или L 3 / 2 Т -1 М - 1 / 2 .
Несмотря на это, k известно с гораздо большей точностью, чем G (или квадратный корень из G ). Абсолютное значение G известно с точностью около 10 −4 , но произведение G M ☉ (гравитационный параметр Солнца) известно с точностью лучше, чем 10 −10 .
Вывод [ править ]
Оригинал Гаусса [ править ]
Гаусс начинает свою Theoria Motus с без доказательства изложения нескольких законов, касающихся движения тел вокруг Солнца. [1] Позже в тексте он упоминает, что Пьер-Симон Лаплас подробно рассматривает их в своей книге Mécanique Céleste . [17] Последние два закона Гаусса заключаются в следующем:
- Площадь охвачена линии , соединяющей тело и ВС , деленное на время , в котором он пронесся дает постоянный фактор . Это Kepler «S второй закон движения планет .
- Квадрат этого фактора пропорционален параметру (то есть, Латус прямой кишка ) на орбите , а сумма от массы Солнца и тела. Это модифицированная форма третьего закона Кеплера .
Далее он определяет:
- 2 p как параметр (т.е. прямая кишка ) орбиты тела,
- μ как масса тела, где масса Солнца = 1,
- 1/2g как область, очерченная линией, соединяющей Солнце и тело,
- t как время, в течение которого эта область очищается,
и заявляет, что
"постоянна для всех небесных тел". Он продолжает: «Неважно, какое тело мы используем для определения этого числа», и поэтому использует Землю, определяя
- единичное расстояние = среднее расстояние Земли (то есть ее большая полуось ) от Солнца,
- единица времени = один солнечный день .
Он заявляет, что область, которую Земля сметает на своей орбите, "очевидно будет" π √ p , и использует это, чтобы упростить свою постоянную до
Здесь он называет константу k и подставляет некоторые измеренные значения t =365,256 3835 дней, μ =1/354 710масс Солнца, достигается результат k =0,017 202 098 95 .
Говоря современным языком [ править ]
Гаусс известен тем, что упускает детали, и этот вывод не является исключением. Здесь он повторяется в современной терминологии, уточняя некоторые детали.
Определить без доказательства
где [18]
- dA/dtэто скорость времени развертки области тела в своей орбите , постоянный в соответствии с Kepler «s второго закона , и
- h - удельный угловой момент , одна из констант движения двух тел .
Затем определите
где [19]
- μ = G ( M + m ) , гравитационный параметр , [примечание 2] где
- G - гравитационная постоянная Ньютона ,
- M - масса первичного тела (т. Е. Солнца ),
- m - масса вторичного тела (т. е. планеты ), а
- p - полупараметр ( прямая полушария прямой кишки ) орбиты тела.
Обратите внимание, что каждая переменная в приведенных выше уравнениях является константой для движения двух тел. Комбинируя эти два определения,
это то, что Гаусс описывал в последнем из своих законов. Взяв квадратный корень ,
и решая относительно √ G ,
На данный момент, определить к ≡ √ G . [2] Пусть dA - это вся площадь, охватываемая телом при движении по орбите, следовательно, dA = π ab , площадь эллипса , где a - большая полуось, а b - малая полуось . Пусть dt = P , время, за которое тело совершит один оборот. Таким образом,
Здесь Гаусс решает использовать Землю, чтобы найти k . Из геометрии с эллипса , р =б 2/а. [20] При установке большой полуоси Земли a = 1 , p уменьшается до b 2 и √ p = b . Подставляя, площадь эллипса «очевидно» π √ p , а не π ab . Помещая это в числитель уравнения для k и уменьшая,
Обратите внимание, что Гаусс, нормализовав размер орбиты, полностью исключил ее из уравнения. Далее нормализуя, установите массу Солнца равной 1,
где теперь m в массах Солнца . Остались две величины: P , период обращения Земли или сидерический год , величина, известная точными измерениями на протяжении столетий, и m , масса системы Земля-Луна. Снова подставляя измеренные значения, как они были известны во времена Гаусса, P =365,256 3835 сут, m =1/354 710массы Солнца, [ необходимо пояснение ], что дает результат k =0,017 202 098 95 .
Постоянная Гаусса и третий закон Кеплера [ править ]
Постоянная Гаусса тесно связана с третьим законом движения планет Кеплера , и один легко выводится из другого. Начиная с полного определения постоянной Гаусса,
куда
- является большой полуосью по эллиптической орбите ,
- b - малая полуось эллиптической орбиты,
- P - период обращения ,
- M - масса основного тела,
- m - масса вторичного тела, а
- p - прямая полу-латусная кишка эллиптической орбиты.
Исходя из геометрии эллипса , полу-латуса прямой кишки, p можно выразить через a и b следующим образом: p =б 2/а. [20] Следовательно,
Подставляя и сокращая, постоянная Гаусса принимает вид
Из орбитальной механики ,2π/пэто просто n , среднее движение тела по орбите. [18] Следовательно,
что является определением третьего закона Кеплера. [19] [21] В этой форме это часто встречается с G , ньютоновской гравитационной постоянной вместо k 2 .
Установка a = 1 , M = 1 , m ≪ M и n в радианах в день приводит к k ≈ n , также в единицах радиан в день, о чем см. Соответствующий раздел статьи о среднем движении .
Другие определения [ править ]
Значение постоянной Гаусса в том виде, в каком он его вывел, использовалось со времен Гаусса, потому что оно считалось фундаментальной константой, как описано выше. Масса Солнца , средний солнечный день и сидерический год , с которым Гаусс определил свой постоянный, все постепенно меняется в цене. Если в определяющее уравнение были включены современные [ требуемые пояснения ] значения, значение0,017 202 097 89 . [ сомнительно ] [22]
Также можно установить гравитационную постоянную, массу Солнца и астрономическую единицу равными 1. Это определяет единицу времени, с которой период результирующей орбиты равен 2π . Их часто называют каноническими . [22]
См. Также [ править ]
- Гравитационная постоянная
- Законы движения планет Кеплера
- Среднее движение
Заметки [ править ]
- ^ Исторически [ цитата необходима ] термин среднее расстояние использовалось взаимозаменяемо с эллиптическим параметром большой полуоси . Это не относится к фактическому среднему расстоянию.
- ^ Не путайте μ, гравитационный параметр, с обозначениями Гаусса для массы тела.
Ссылки [ править ]
- ^ a b Гаусс, Карл Фридрих; Дэвис, Чарльз Генри (1857). Теория движения небесных тел, движущихся вокруг Солнца в конических сечениях . Бостон: Литтл, Браун и компания. п. 2 .
- ^ a b Смарт, WM (1953). Небесная механика . Лондон: Longmans, Green and Co., стр. 4.
- ^ Дэвид Х. Келли, Юджин Ф. Милон, Исследование древнего неба: обзор древней и культурной астрономии (2011), стр. 219
- ^ «Числовое значение гауссовой постоянной было определено самим Ньютоном за 120 лет до Гаусса. Оно согласуется с современным значением с шестью значащими цифрами. Следовательно, название« гауссова постоянная »следует рассматривать как дань уважения заслугам Гаусса перед небесами. механики в целом, вместо того, чтобы указывать приоритет в определении численного значения гравитационной постоянной, используемой в небесной механике, что иногда рассматривается в связи с его работой ». Загитов (1970: 713).
- ^ Сагитов, MU, "Текущее состояние определений гравитационной постоянной и массы Земли", Советская астрономия, Vol. 13 (1970), 712–718, в переводе из Астрономического журнала Т. 46, № 4 (июль – август 1969 г.), 907–915.
- ^ Б с д е е г Клеманс, GM (1965). «Система астрономических констант». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 3 : 93. Bibcode : 1965ARA & A ... 3 ... 93C . DOI : 10.1146 / annurev.aa.03.090165.000521 .
- ^ «Принятое значение постоянной Гаусса является значением самого Гаусса, а именно: k = 3548 ″. 187 61 = 0,017 202 098 95 ».Ньюкомб, Саймон (1898). «I, Таблицы движения Земли по оси и вокруг Солнца». Астрономические документы, подготовленные для использования в американских эфемеридах и морском альманахе . VI . Бюро оборудования военно-морского ведомства. п. 10.
- ^ де Ситтер, В .; Брауэр, Д. (1938). «О системе астрономических констант». Бюллетень астрономических институтов Нидерландов . 8 : 213. Bibcode : 1938BAN ..... 8..213D .
- ^ «Резолюции VI Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза, Стокгольм, 1938» (PDF) . . До 1940-х годов секунда сама определялась как часть среднего солнечного дня, так что по определению средний солнечный день составлял 86400 с (после переопределения секунды средний солнечный день был измеряемой величиной, колеблющейся между 86 400 000 и 86 400,003 с), см. День .
- Перейти ↑ Wilkins, GA (1964). «Система астрономических констант. Часть I». Ежеквартальный журнал Королевского астрономического общества . 5 : 23. Bibcode : 1964QJRAS ... 5 ... 23W .
- ^ «Резолюции XII Генеральной Ассамблеи Международного астрономического союза, Гамбург, Германия, 1964» (PDF) .
- ^ Б Геррик, Самуэль (1965). «Фиксация гауссовой гравитационной постоянной и соответствующей геоцентрической гравитационной постоянной». Материалы симпозиума МАС № 21 : 95. Bibcode : 1965IAUS ... 21 ... 95H .
- ^ «Резолюции XVI Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза, Гренобль, Франция, 1976» (PDF) .
- ^ «Резолюции XXVIII Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза, 2012» (PDF) .
- ^ Военно-морская обсерватория США, Управление морского альманаха; Управление морского альманаха HM (1961). Пояснительное приложение к астрономическим эфемеридам и американским эфемеридам и морскому альманаху . Лондон: Канцелярский офис HM. п. 493.
- ^ Брауэр, Дирк; Клеменс, Джеральд М. (1961). Методы небесной механики . Нью-Йорк и Лондон: Academic Press. п. 58 .
- ^ Лаплас, Пьер Симон; Боудич, Натаниэль (1829). Mécanique Céleste . Бостон: Хиллиард, Грей, Литтл и Уилкинс.
- ^ a b Смарт, WM (1977). Учебник по сферической астрономии (6-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 100 . ISBN 0-521-29180-1.
- ^ a b Смарт, WM (1977). п. 101.
- ^ a b Смарт, WM (1977). п. 99.
- ^ Vallado, David A. (2001). Основы астродинамики и приложений (2-е изд.). Эль-Сегундо, Калифорния: Microcosm Press. п. 31. ISBN 1-881883-12-4.
- ^ а б Дэнби, JMA (1988). Основы небесной механики . Ричмонд, Вирджиния: Виллманн-Белл. п. 146. ISBN. 0-943396-20-4.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Брамфил, Джефф (14 сентября 2012 г.). «Астрономическая единица фиксирована: расстояние Земля – Солнце изменяется от скользкого уравнения до единственного числа» . Природа . DOI : 10.1038 / nature.2012.11416 . Проверено 14 сентября 2012 года .
- Сирс, Фредерик Х. (февраль 1899 г.). «Константа притяжения» . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 11 (66). Bibcode : 1899PASP ... 11 ... 22С . DOI : 10.1086 / 121298 .
Внешние ссылки [ править ]
Викискладе есть медиафайлы, связанные с гауссовой гравитационной постоянной . |
- Словарь начального гауссова постоянная тяготения на Военно - морской обсерватории США «s астрономический альманах онлайн
- Гауссова гравитационная постоянная, Wolfram ScienceWorld