軌道慣性とエネルギー継承について

慣性の法則はガリレオやニュートンによって定義づけられてきました。
等速直線運動をしている物体は、外部の力が加わらなければ、
止まらず、直線運動を続ける。
と確かこんな感じではなかったかと思います。
確か、運動している系によらないというのもあったと思います。

まあ、そうだとして、等速直線運動ってほぼ考えられないのではないかと思っています。
この宇宙で、物体がひとつって考えられないじゃないですか。
すでに、数え切れないほどの星があるのだし。

ということは、どの物体も円運動しているわけです。

円運動は、物体のエネルギーのバランス的には、
「静的エネルギー」と「動的エネルギー」がバランスしているわけです。
ニュートン的に言えば、遠心力と向心力が等しいわけです。(わかりやすくないな)

すなわち、何も力が働いてない状態と考えても差し支えないので、
いわゆる慣性と考えてもいいわけです。
これは、もしかして、物理の基本なのかもしれませんが。
ちょっと、調べてみないとわかりません。(誰か教えてください)
とりあえず、わたしはこの状態を、「軌道慣性」と呼ぶことにします。

軌道慣性とエネルギー継承

太陽の周りを地球が回って、地球の周りを月が回っているので、
それぞれは、軌道慣性で円運動をしていると考えることができます。
厳密性には、欠けるかもしれませんが、ざっくりですが。

ということは、
地球は、太陽と同じ軌道エネルギー(静的エネルギーと動的エネルギー)を持って、
太陽の軌道と同じ軌道を動いています。
そして、太陽の周りをまわっているので、
地球は、太陽の軌道エネルギーに加えて、
地球の軌道エネルギー(静的エネルギーと動的エネルギー)を持っています。

月は、地球の軌道と同じ軌道を動きながら、地球の周りを回っています。
つまり、月は、太陽の軌道エネルギー+地球の軌道エネルギーに加えて、
月の軌道エネルギーを持っています。

これは、オブジェクト指向の継承に似ているので、
天体間でエネルギーの継承ということが起きているのではないかと思われます。

エネルギーの継承を図で描くと、次図になります。

エネルギー継承

例えば、M0が太陽、M1が地球、M2が月とします。
地球は。太陽の軌道エネルギー(動的エネルギー(A0)と静的エネルギー(S0))を保持していないと、
太陽と同じように進むことができません。
つまり、太陽の動的エネルギー(A0)と静的エネルギー(S0)が地球に継承されています。

同様に、月は、地球の軌道エネルギー(動的エネルギー(A1)と静的エネルギー(S1))が継承されます。
地球は、太陽の軌道エネルギー(A0とS0)が継承されているので、月は、太陽の軌道エネルギーと地球の軌道エネルギーが加算されて継承されます。
そして、地球に対する、軌道エネルギー(動的エネルギー(A2)と静的エネルギー(S2))が加算され、
太陽と地球と同じ動きをして、さらに地球の周りを回ります。

今日は、こんなところで。


ティティウス・ボーデの法則は渦?

かなり前に、この法則についてブログにかいたのですが、
その時は、アームがいくつかに分かれて、太陽系は誕生したのではないかと考えたのですが、
もう一度、再考してみます。

そこで、もう一度、ティティウス・ボーデの法則はこんな感じです。

a / AU = 0.4 + 0.3 × 2n

a:軌道長半径(太陽からの平均的な距離)単位はAU

水星は n= –∞、金星は n=0、地球は n=1、火星は n=2、木星は n=4、土星は n=5 など

法則該当天体
n距離 / au名称
-∞0.40.39水星
00.70.72金星
11.01.00地球
21.61.52火星
32.82.77ケレス
45.25.20木星
510.09.54土星
619.619.19天王星
738.830.06海王星
877.267.71エリス
* エリスは参考

天王星までは、かなり良い線なんですが、海王星は完全にアウト、
記述してませんが、冥王星は39.44なので、n=7に近い感じがします。

エンディの法則

私が考えたのは、直角二等辺三角形の法則です。
直角の角に、ガスや岩石がたまりやすいのではないかという考えです。

台風や銀河がこの法則に近いかたちの渦を持っています。

台風の渦
銀河の渦
直角二等辺三角形の法則

そこで、定数を7.2(107km)に設定して、計算してみました!

n=0,1,2,…
実際の距離は a x 107 km

惑星遠点・近点太陽系創成時円軌道半径nx107 km
水星遠点69,817,44507.2
金星遠点108,942,780110.2
地球近点147,098,291214.4
火星近点206,655,215320.3
木星遠点816,001,807781.5
土星遠点1,503,509,2299162.9
天王星遠点3,008,318,14311325.8
海王星遠点4,537,039,82612460.8

と言う結果です。
衝突方向(順、逆)によって、遠点、近点を選んでみました。
天体衝突という前提なので、平均軌道距離は使用しないことにしました。
どうでしょうか。
これはアームが一本という場合です。

スイングバイの影響圏の判定

影響圏の判定方法

宇宙船の動的エネルギー(A)をスイングバイする中心天体方向の動的エネルギー(AV)と円軌道方向の動的エネルギー(AH)に分ます。

円軌道の動的エネルギー(AH)とその位置の静的エネルギ(S)と比較します。

位置円軌道方向の静的エネルギー(S)比較円軌道方向の動的エネルギー(AH)
①R’SR’<AHR’
②RSR=AHR(AVR=Sa=基=軌道半径aの静的エネルギー)
AHr’=AHr’+AVR(双曲線軌道の式より)
③rSr=AHr=2AVr=2Sa
AHr’=AHr’+AVR(双曲線軌道の式より)
④RSR’=AHR

影響圏は②〜④の間になります。

双曲線軌道の位置rの速度は、
v=\sqrt{\mu\left(\frac{2}{r}+\frac{1}{a}\right)}


となりますので、双曲線軌道の位置rエネルギーは、

μ は万有引力定数と中心天体+周回天体の質量の積
になります。

動的エネルギーと静的エネルギーで表すと、

質量エネルギーEm
最小基準軌道半径 ac
宇宙エネルギー定数U

を使って表すと

になります。(②〜③、③〜④の間)

この方法ならば明確に、影響圏内か、影響圏外かの判断がつきます。

どうでしょうか。
エネルギー曲線でみるとこんな感じです。

双曲線軌道 完成しました!

前に、「双曲線軌道ついにわかった!」というブログをかきましたが、

その時に、具体的な例を載せますと言って、載せてなかったので、
載せることにしました。


中心星は「木星」として、木星から距離Rのところで、木星の影響圏に入ることにします。
そして木星から、距離aのところで「最近点」となり再び距離Rのところに戻っていく設定にします。

双曲線軌道

エネルギー分布図(下図)は、赤線が脱出境界(静的エネルギーの2倍)青線が静的エネルギー曲線になります。

動的エネルギーAXで影響圏に突入したとします。
AHRは、影響圏境界Rの円軌道方向の成分の動的エネルギー、
AVRは、影響圏境界Rの木星に向かってている成分の動的エネルギーになります。

ロケットの動的エネルギーは、

AX = AHR + AVR

になります。

ロケットは、木星の影響圏に入り、影響圏境界で、
水平静的エネルギー(AHR)は,木星からの距離Rの静的エネルギー(SR)の2倍(第二宇宙エネルギー)になるので、

AHR = 2 x SR
となります。

垂直方向の動的エネルギー(AVR)は、

AVR = AX – AHR
になります。


AVRはaの基準軌道の静的エネルギーSaと同じになります。

(双曲線の惑星から距離rの動的エネルギー(AX)は、AX=2Sr+Saと表されるので)

Sa = AVR

最近点2aでは、AXが加速してAX’になり、
Saとバランスするので、

AX’ = 2 x Sa

になります。

エネルギーの相関図はこのようになります。

双曲線軌道におけるエネルギー相関図

これらを踏まえて、木星を利用したスウィングバイの双曲線軌道を計算してみます。

例 木星の影響圏内の双曲線軌道

<前提>
木星の質量(M):1.89813 x 1027kg
宇宙船の質量(mx):1.0 x 103kg
影響圏境界までの距離(R):1.45536 x 107km
進入速度(vx):6.8645 x 104km/h

AX = mx x vx2 = 4.71211 x 1012 je

<静的エネルギーの計算>
Emx = mx x c2 = 1.16479 x 1021 je
acx = U(M+m) = 0.00141 (U=7.42426 x 10-31 km /kg)

SR=Emx x (acx / R) = 1.12786 x 1011 je

AHR = 2 x SR = 2.25571 x 1011 je

AVR = AX – AHR = 4.48654 x 1012 je

Sa = AVR = 4.48654 x 1012 je
AX’ = 2 x Sa = 8.97307 x 1012 je

最近点 a = Emx x acx / Sa = 713,775 km
最近点速度 va = sqrt(AX’ / mx) = 94,726 km/h
進入角度 θ=acos(sqrt(AHR / AX))=77.36°

NASAのボイジャー2号のデータ
Voyager 2 Gravity Assist Velocity Changes

Voyager 2 leaves Earth at about 36 km/s relative to the sun. Climbing out, it loses much of the initial velocity the launch vehicle provided. Nearing Jupiter, its speed is increased by the planet’s gravity, and the spacecraft’s velocity exceeds solar system escape velocity. Voyager departs Jupiter with more sun-relative velocity than it had on arrival. The same is seen at Saturn and Uranus. The Neptune flyby design put Voyager close by Neptune’s moon Triton rather than attain more speed. Diagram courtesy Steve Matousek, JPL.

Voyager 2 Gravity Assist Velocity Changes

双曲線軌道ページは誤りがあるので、この方法で直そう!!

近点移動について

近点移動ってなんだってことですが、
有名なのは、アインシュタインの相対性理論の証明に使われた、
水星の近日点移動です。

近地点とは、楕円軌道で中心天体に一番近い点のことです。
そして、
太陽が中心天体の場合、「近日点移動」
地球が中心天体の場合、「近地点移動」

と呼びます。

ケプラーの第一法則によって、惑星は楕円軌道上を動くということですが、
近点が移動してしまうのは、正確にいえば、楕円軌道ではないですよね。

また、近日点移動については、水星だけでなく、
他の惑星も近点移動しています。

惑星観測値(秒/年)
水星5.75
金星2.04
地球11.45
火星16.28
木星6.55
土星19.50
天王星3.34
海王星0.36
Wikipediaから引用
参考:https://ja.wikipedia.org/wiki/近点移動

そもそも、惑星が近日点移動の原因は、

摂動」によって楕円軌道そのものが回転する現象が近点移動です。
(1)太陽系内の自信の惑星とは別の惑星からの比較的弱い重力の摂動による近点移動。
(2)天体は自転の遠心力によって扁球となり(赤道バルジ)、
   近くの天体からの潮汐力によって表面に膨らみができる(潮汐バルジ)。
   どちらの効果も重力の四重極場による近点移動。
(3)一般相対性理論による効果一般相対性理論による近点移動。

といわれています。
しかし、私の研究所では、近点移動の原因は、「天体衝突による質量変化」と考えています。

天体衝突による質量変化による近点移動の説明

ここでは、月の近点移動について考えてみます。
月の近地点移動は、8.85年で一周回ります。
月は公転周期が約655時間なので、地球の周りを118周します。
ということは、近点が1周回ると5.54時間遅れていきます。

質量変化で5.54時間の遅れが証明できれば、
近点原因が、質量変化の可能性があるということになります。

月の衝突前の質量をmx=7.2265e22 kg
月の衝突後の質量をm =7.3477e22 kg(現在の質量)
衝突時の増加質量をΔm=1.212e21 kg(※増加量については、シミュレーションした結果
求めてた質量です)

と仮定します。

振動周期と公転周期

衝突天体が、月に衝突すると、基準軌道半径が変わります。
現在の基準軌道半径はa=384.400 kmになります。



まず。振動周期ですが、衝突後の公転周期と同じ周期で、振動します。
ですので、近点移動はおきません。
しかし、質量が増加した場合、振動周期(Tf)が増えます。

上式に値をいれて計算すると、
振動周期 Tf=660.4h
公転周期 Tc=654.9h

遅延時間=5.54hになり8.85年で、近地点が一周することがわかります。

月の平均密度が3.3344g/cm3
なので、

半径450Kmくらいの大きさの天体の質量の増加したのではないかと思います。
これが、実際の質量変化が確認できれば、この予想はただしいと思います。

それには、月の軌道を衝突によって、それ以上の大きさの天体が衝突したことが、
確認できれば、かなり真実に近づいたのではないかと思います。

月軌道からの質量変化の検証


私の研究所の研究によれば、上図のように、月は2度衝突しています。
2回目の衝突が大きいので、その値に、上結果を入れて検証してみます。

増加した質量は Δm=1.212e21 kgです。
その5倍くらいの質量の天体が衝突した場合を考えてみます。

その質量を mx=6.06e21 kg と仮定します。

ざっくりですが、基準軌道半径356,400kmで月と天体が衝突して384,400km
の位置基準軌道が移動したので、
衝突エネルギー I=7.8511e28 je になります。
これは、I=Sa – Sbで求まります。

Sa = 1.07784E+30 je
Sb = 9.99332E+29 je

になります。

衝突エネルギーと衝突天体の質量から
衝突速度は、

約3,600km/h

になります。
かなり高速で衝突したという結果になります。

正しいかどうかは、まだ検証が必要です。




太陽の速度を計算してみた

なんとも、しばらくブログから遠のいていました。
今年は、YouTubeに「月のエキセントリックな軌道」の解明について、アップしようかと思っています。
思っているだけで、なかなか作業は進んでいませんが(汗)

前にも、ブログに書いた記憶があるのですが、
どうも。国立天文台の、「月に関する軌道の説明」には納得できなくて、
なにがおかしいんだろうと、考察してきました。
あっ!なにがおかしいかは、わかっているのですが、

この説明です。
おかしいと思う部分は、
(1)地球も月もともに太陽に引っ張られている
(2)太陽が地球を引っ張る引力で、太陽が月を引っ張る引力を相殺した分 < 地球が月を引っ張る引力
まあ、全部なのですが。
(2)は、計算した結果は上図に示してあります。(数字的にまずおかしいのです。)
それから、相殺した分ってところが、いまいちわからないです。
それは(1)地球は太陽に引っ張られていますが、月は地球に引っ張られていて太陽にには直接ひっぱられていないのではないかと考えるからです。
基本的に、天体の動きを「力」で考えるのは無理があるからです。
力では、刻一刻距離が変化し、ニュートンの万有引力の法則によれば、引力は距離の2乗に反比例するので、
天体の軌道は、不規則によれよれになるはずですが、その傾向はありません。

そこで、自分なりのイメージを考えてみたのが下図です、

これも、少し気に入りません。
力で考えているからです。まあ、自分のイメージには近いと思います。
そこで、エネルギーで考えてみました。

この説明は、長くなるのでまた別の機会に説明します。
簡単に言うと、親と子の間の宇宙空間にエネルギー場ができます。
エネルギー場は、距離に反比例して小さくなります。
そのエネルギー場と、子天体の動的エネルギーがバランスします。
また、親の動的エネルギーと静的エネルギーは、子に継承します。
こんな感じです。

本題に戻って、太陽の軌道速度の計算をしてみます。

g= 6672.59e-14 #万有引力定数 理科年表2015より
UC = 1 / 1000^3 × 3600^2 × 1  #単位変換 m3 s – 2 kg – 1 —> km3 h – 2 kg – 1
G =g × UC            #万有引力定数( km^3 h – 2 kg – 1 )
c = 299792458 / 1000 × 3600  #光速( km / h )
U = G / c^2           #重力定数単位((Endy)U = 7.42426E-31 km/kg

を用意します。

天体質量(kg)

MM = 1.88367e41 #銀河系中心質量
Ms = 1.989e30 #太陽質量


天体間距離(km)

RMs = 25800(光年) × c × 24 × 365= 2.4392e+17

質量エネルギー(kg.km2/h2)

EMs = Ms × c^2 = 2.31676e+48

最小基準軌道半径(Km)

aMsc = U × ( MM + Ms ) = 1.39849e+11 km #銀河 + 太陽

静的エネルギー(kg.km2/h2)

Ss = EMs × ( aMsc / RMs ) #銀河ー>太陽

軌道速度

vs = sqrt( Ss / Ms ) = 817,200.49974(km/h)
vs / 3600 = 227.00014(km/s)

ということで、太陽は、秒速227kmで移動しているって事になりました。

月軌道から非重力理論へ

なんと難しいタイトルをつけてしまった。(汗)
このサイトで言いたいことを簡潔に書いておこう。と思って書いてます。
そもそも非重力理論てなんだ!と云う話ですが、「重力はないんじゃね」と云うことです。
おいおい、何をおっしゃるウサギさん、と言われそうですが、
当てずっぽうではありませぬ。

思いついたのは、月のエキセントリックな軌道を研究している最中でした。

そこで、どうして、月の軌道から、非重力理論にたどり着いたかを説明したいと思います。
(「思います」は自信ねええんじゃないの。「します」だろ!)
まあ、細かいことはさておいて、とりあえず、
月のエキセントリック軌道について説明していきます。
まずは実際に起こっている現象から、お聴きください。

本サイトでもモデリングのブログで詳細を載せてあります。

月のエキセントリックな軌道

改めて、月は非常にエキセントリックな軌道を動いています。
エキセントリックな軌道の一番目は、
近地点、遠地点の距離が一定でない上に、
近地点が移動していることです。

これは、X軸が時間でY軸が地心距離です。
地心距離とは、地球の中心から月の中心までの距離です。
グラフを見ると、360,000Kmから370,000Kmあたりが近地点で、
地球に近づいたり、遠のいたりしています。

一番近づいた時をスーパームーンと呼ぶ時もあります。
近いから大きく月が見えるからです。
スーパームーンは、最近一般的に使われている名前ですが、正式名ではないようです。

そして、405,000Kmあたりで地球から近づいたり遠のいたりしているのが遠地点です。
近地点ほどの大きな差はありませんが微妙に近づいたり遠のいたりしています。
アッ!言い忘れましたが、
このデータは、国立天文台の地心距離のデータからEXCELを使って作成したリアルなデータです。
大体の月の動きが分かっていただければOKです。
ここまでは事実です。

エキセントリックな軌道の理由は

月のエキセントリックな軌道の原因は。国立天文台のサイトでは、
「太陽の影響」と言っています。
詳しくは、国立天文台のサイトトを見てください。

しかし、太陽の引力で説明すると、かなり無理がある箇所があります。
例えば、「地球が月をとどめておけるのは、
地球も月もともに太陽に引っ張られているからで、
太陽が地球を引っ張る引力で
太陽が月を引っ張る引力を相殺した分よりは、
地球が月を引っ張る引力が大きいからです。」

と云う説明があります。

概算で計算してみると

F1=G5.4e38、F2=G6.5e36、F3=G3.0e36 G…万有引力定数

相殺(太陽が地球を引っ張る引力(F1) – 太陽が月を引っ張る引力(F2))は、
地球が月を引っ張る引力(F3)の170倍くらいあります。
ですので、国立天文台のロジック通りだとすると月は太陽の方に落ちていく(太陽の周りを回る)が正解になります。

しかし、月は地球に落ちていくと言っていますので、
この時点で説明が破綻しています。
と云うことは、
太陽は月を引っ張らないと云うことです。

従って、月は太陽の影響を受けないと云うロジックならば、
月が地球の周りを回ると云う説明ができます。

月は太陽の影響を受けないとすると、「摂動」「出差」「二均差」などの事象は起きないと云うことです。

そこで、親子理論の登場

月のエキセントリックな軌道は、
太陽の影響を受けないと言ってしまいましたが、
月は、地球の周りを回っていながら、
地球と共に太陽の周りを回っています。

そこで、考えたのが、エネルギーの継承です。
つまり地球は太陽からエネルギーが継承されます。
エネルギーとざっくり言ってしまいましたが、
太陽が銀河中心の周りを回るエネルギー位に考えてもらえばいいと思います。
そうすると、太陽は銀河の中心と同じように動きます。

すなわち太陽から見ると、銀河の中心は止まっているように見えます。
その継承されたエネルギーに銀河の周りを回るエネルギーがプラスされているので、
銀河の周りを回ることができるとします。

地球は、銀河から継承されたエネルギーを持った太陽のエネルギーが継承され、
地球から見た太陽は止まっているように見えます。
地球はさらに
太陽から継承されたエネルギーにプラス太陽の周りを回るエネルギーを持って
太陽の周りを周ります。

月は地球のエネルギーが継承され、
さらに地球の周りを回るエネルギーを持って地球の周りを回ります。
月から見た地球は止まっている世に見えます。

このエネルギーの継承することにより、
親は止まっていると仮定しても問題ないからです。

月の親は地球、地球の親は太陽、太陽の親は銀河中心という形になります。

親子関係は、天体同士の関係が「ツリー構造」になります。

ちなみに、万有引力は、全ての天体が絡み合った「ネットワーク構造」になります。

また、子から見た親は止まっているように見えるので、
慣性が働いているように見えるので、
これを「軌道慣性」と呼ぶことにします。

では、親子はどのようにして決めるのでしょうか。

親子判定!

天体の力がどこまで及ぶのかというヒル球があります。
これは、運動していない物体に対して、天体と天体の間に物体の重力がおよぶ範囲を示した式です。

しかし、これでは、例えば月と地球と太陽の3者の位置関係が一通りしか考慮されていません。

そこで、親子理論で考えてみます。
例えば、月と地球と太陽を考えてみます。
月は太陽の影響を考えなくていいので、親子理論では、地球と月だけの関係のみを考えます。
(摂動もありません)
そうすると、親子関係に必要な要素は、地球と月の距離と月の速度になります。
地球と月が宇宙に存在することによって発生し、
距離によって大きさが決まるエネルギーを「静的エネルギー」と呼ぶことにします。

このエネルギーは、親子関係がある天体の固有の値になります。
ニュートンは、天体間の力は距離の2乗に反比例すると言っていますので、
積分されたエネルギーは距離に反比例することになります。
この静的エネルギーは、親天体の方向に子天体を動かすエネルギーになります。
子を離さない親の気持ちのようなものです。
しかし、子はわがままで、親から離れようとします。
これが先ほど出てきた速度による「動的エネルギー」です。

この「静的エネルギー」と「動的エネルギー」のバランスが軌道になります。
両方が等しければ、「円軌道」になります。

しかし、月の動的エネルギーが大きくなっていくと、
仕舞いには地球を離れて、太陽が親になってしまいます。
この離れていく動的エネルギーは、
月が円軌道を描いている静的エネルギーの2倍の動的エネルギーの時に、
親が変わります。

そこで、親が変わるエネルギーで親判定をします。

Sa:地球からaKm離れた位置の静的エネルギーSaと天体の動的エネルギーAαの比較

ここで、動的エネルギーが静的エネルギーの2倍未満の時はどうなるかというと、
円軌道を中心とした楕円軌道になります。
なんだ、円軌道を中心としたって。と思うと思います。

そもそも、ケプラーの第一法則では、
「天体の軌道は楕円軌道で円軌道はその特殊な場合」と言っています。
では、楕円軌道について少し考察してみます。

楕円軌道

ケプラーの師匠であるティコ・プラーエは、天体は絶対円軌道上を動いているはずだと思い自分の観測したデータから天体軌道を計算しましたが、ぴったり合いませんでした。ケプラーは、その膨大なデータから天体の軌道を楕円軌道と推測しました。

まあここまでは、いいのですが、ケプラーは、中心天体は楕円の2つの焦点のうちどちらかに存在すると考えました。そのため楕円軌道の中心と中心天体の位置は焦点距離分ずれていました。またケプラーの第3法則では、なぜか長半径を使って方程式を作りました。なぜ短半径じゃないのかというと短半径ではぴったり計算が合わなかったからだと思いますが。

そこで楕円軌道を考察し直しました。

楕円軌道と円軌道の比較

まず、天体の中心と軌道の中心を合わせます。(例えば太陽)そして、長半径の円を天体中心から描きます。(例えば太陽から地球の距離)これで、周回している天体(例えば地球)は円軌道上を動きます。これで、ケプラーの第3法則通りになります。

またニュートンの万有引力の方程式の分母の距離も長半径なので、両方の法則を満足することができます。しかし、実際は楕円軌道です。そこで、この円軌道を中心として軌道周期と同じ単振動周期で、振幅が焦点距離の円軌道と単振動の合成軌道を考えます。そうすると、楕円軌道になります。すなわち、円軌道ベースなんだけれども、何らかの原因で、単振動が加わり、見かけ上楕円軌道になったと考えれば、ケプラーの法則もニュートンの法則も満足できるということになります。

そして、ティコ・プラーエの円軌道に拘った意味もなんとなくわかります。ティコ・プラーエは、まさか見かけ上楕円軌道とは思わなかったと思います。

下の写真はティコ・プラーエです。

ティコ・プラーエ(Wikipediaより)

円軌道がベースということになると、
周回天体(例えば地球)は、
「静的エネルギー」と「動的エネルギー」が’バランスする位置に
移動しようとすると考えられます。

これは、「猫のチャーが居心地のいい坊さんのふかふかの座布団に鎮座する」のと同じです。
多分。

上図だと、半径aの円軌道上を動いていた天体が、
なんらかの原因で半径bの円軌道になり、
その円軌道を中心に、振幅fの単振動をして楕円軌道になったというを表しています。
中心の円軌道のことを「基準軌道」と呼びその半径を基準軌道半径と呼ぶことにします。

では、なんらかの原因とはなんでしょうか。

単振動の原因とは!

いろいろ考えられますが、
とりあえず、天体同士の衝突が原因の一つではないかと思います。
つまり、衝突により動的エネルギーが増減し、
上図ではエネルギーが増えて基準軌道がbに移動し、
元の基準軌道aから基準軌道bへ移動した距離の振幅で
単振動をするようになったと考えられます。
そして見かけ上楕円軌道に見えるということです。

では、衝突のメカニズムを考察します。

衝突による楕円軌道

ニュートンの振り子を思い出してください。
一番端の玉がその次の球に当たると、
最終的に反対側の球がはじき飛ばされます。
これはエネルギーが球を伝達したということです。
つまり衝突によりエネルギーが増加したわけです。

ニュートンの振り子

天体でも同様に、天体同士が衝突すると、
衝突された天体のエネルギーが増加します。
つまり、動的エネルギーが増加するわけです。
その時の衝突された天体の振る舞いを考えてみます。

基準軌道で天体は動いています。
つまり、静的エネルギーと動的エネルギーがバランスされている状態です。
そこに「衝突によるエネルギー」が増加されたとします。
これを「衝突エネルギー」と呼ぶことにします。

衝突エネルギー分静的エネルギーと釣り合わなくなります。
そのため、衝突された天体は、
静的エネルギーと動的エネルギーがバランスする場所に
基準軌道を移動しようとします。
衝突エネルギーを消費してバランスする方向に移動することになります。
衝突エネルギーが増加した場合は、
中心天体より遠のく方向に移動して、
衝突エネルギーを消費します。
衝突された天体が遠のくと、
静的エネルギーも距離に反比例して減っていきます。
そして釣り合う場所は、
衝突した位置の静的エネルギーがら衝突エネルギーを差し引いた位置になります。
基準が静的エネルギーで、
動的エネルギーの作用反作用(力の作用反作用のエネルギー版)によって
衝突エネルギーが減衰してゼロになります。

図にすると、このようになります。

衝突エネルギーの推移

上図では、青線が静的エネルギー、赤線が動的エネルギーになります。
そして、上図では、
aの位置で衝突し、衝突エネルギーをIa として減衰し、
bの位置で衝突エネルギーがゼロになる様子を表しています。
aからbに基準軌道が変わったため、
反動で、移動した分反対側cまでに移動して、
またbに戻ってきて単振動を繰り返すということになります。

すなわちこの基準軌道bを中心に
振幅b ~aの単振動をするようになり、
見かけ上楕円軌道になります。
これを時系列に表すと次のようになります。
(時間的な流れからすると正確な単振動にはなりませんが、イメージです)

衝突後の軌道 (時系列)

しかし、この地心座標は、エキセントリックな軌道ではありません。
普通の楕円軌道です。
一旦ここで整理してみます。

今までの内容を整理してみます。

(1)月はエキセントリックな軌道上を動いている。

(2)エキセントリックな軌道は、遠地点と近地点が変動している。

(3)エキセントリック軌道の原因は太陽の引力ではない

(4)地球と月は親子関係にある。そして月は地球の慣性軌道情にある

(5)楕円軌道は円軌道と単振動の合成軌道である

(6)楕円軌道の原因の一つは衝突である

(7)衝突時に衝突された天体の動的エネルギーに衝突した天体の衝突エネルギーが加算される

(8)加算された衝突エネルギーがゼロになる位置まで衝突された天体jは移動sる

(9)衝突された天体は衝突エネルギーがゼロになる位置を中心に単振動する

というのがざっくりな話でした。

では次はエキセントリックな軌道の原因について、説明します。

エキセントリックな軌道の原因。

エキセントリックな軌道の原因は、
結論から言うと、
小惑星との大きな2度の衝突によるものです。
(実際は、もっと細かい衝突があったと推測されます)

当初月は円軌道上を動いていました。
そこへ小惑星などが衝突しました。
衝突の結果、楕円軌道になりました。

しばらくして、また月へ小惑星が衝突しました。
その結果、最初の楕円軌道が衝突した位置で、
2つに別れて遠点と近点で単振動するようになりました。

ところが、

当初の公転周期と2回目の衝突後の公転周期に差ができたため、
その差で唸りが発生しました。

これを、二重衝突による「唸り軌道」と呼ぶことにします。
これをもとに計算すると、
月のエキセントリックな軌道を説明することができます。
これが、エキセントリックな月軌道の原因です。
※詳細はこのブログを参照ください。

とすると、特に太陽の影響を考えなくても、
ある程度正確に月のエキセントリックな軌道が推測できます。
また、重力や引力を考えてなくても良いとことになります。

これが非重力理論に気がついた理由です。

長くなりました。

ポツンと一言や

そういえば、軌道慣性というのを考えたんだけど、
親天体から運動エネルギーがこ天体に継承される。
つまり、トラックの上に乗っている人はトラックが止まって見える。
という概念です。
言い換えれば、カルガモのように親が動く方向に子供たちは動くと云うことです。
これをもとに、親は一人しかいないという親子理論を考えたのですが、
うまく説明できない部分がありました。
それは摂動と云う考え方を否定しなければならないところです。

摂動は隣のトラックが近づいてくると、そちらに乗り移りそうになると云う発想だ。
なんとなく感覚的に力で考えるとそんな気もするが。
そんなことが起きないと云うのが親子理論です。

親子理論については、サイトのページに書いてありますので、ご参照ください。

少し、妄想が入りますが、
月がもしも、地球に対する相対速度ゼロになったらどうなるのでしょうか。
引力で考えると、地球の引力より太陽の引力の方が強いので、
太陽の方に落ちていくことになります。
でも地球の方に落ちていくはずです。

なんで、太陽の方に月は落ちないんだ。
地球は太陽のエネルギーをもらっている。
その地球から月はエネルギーをもらっているからだ。
と云うのが自論です。
人呼んで、「軌道慣性」です。なーんてね。
月の親は地球だから、月はカルガモのように地球についていくのです。
だから、太陽に向かっては落ちないのです。

太陽が親になるためには、
月は、384,400Kmの位置の静的エネルギーの2倍以上のエネルギーを月に与えなければならないのだよ。それだけ、地球と月の関係は強いのですよ。

なんて、考えてしまう今日この頃です。

スーパームーンのゆらぎ

最近は、スーパームーンを騒がなくなリましたが、近年で一番でかく見える月(大きいでした)です。
定義は曖昧らしい。
多分、誰かが勝手にスーパームーンと命名したと思われます。

地球を基準にみると、基本的に楕円軌道で、地球に近い点を近地点、遠い点を遠地点と呼んでいます。
英語では、近地点をperigee、遠地点apogeeと言います。
殆どの天体は、遠点と近点自体の変化は無いか、殆どありません。
もしかしたら、観測ではわからないだけかもしれませんが。
とにかく、楕円軌道ですから、近点の時の月の大きさは変わらないはずです。

しかし、月は、楕円軌道の上に遠地点と近地点の距離さえも変える、
何とも奇妙な軌道上を動いているため、近点の月の大きさが変わります。
この近点の時の月の大きさが、近年で一番大きい時にスーパームーンと呼びます。
このエキセントリックな軌道は、紀元前から分かっていたという話もあります。
ちょっと、曖昧な記憶ではあリますが。

結構昔から月が大きくなったり小さくなったリすることは知られていたみたいです。
当たり前ですが、地球に月が近い時に月は大きく見え、
遠い時に小さくなる。
国立天文台のサイトの画像を使わせて頂きます。

最大の月の直径と最小の月の直径の差は14%ほどのようです。
2つの月を比べれば、大きさの違いはわかるかもしませんが、
連続的に変化する月では、おそらく錯覚かなくらいでは無いかと思います。

そもそも、このサイトは、月のエキセントリックな軌道がどういう理由でそうなったかを、
太陽の引力と摂動を使わずに説明しようというサイトでした。

月のエキセントリック軌道の理由

このサイトでは、月のエキセントリックな軌道の原因を2回の小惑星の衝突と考えています。

太陽の引力や他の惑星の引力による影響で、エキセントリックな軌道上を月が動いていません。
月は地球と月の質量エネルギーの差により発生じた「静的エネルギー(Static Energy)」
により、月は地球の方向に落ちていきます。

このエネルギーは地球に近くなると大きくなり、
遠のくと小さくなります。無限遠で0になります。
一番大きな値は、月の質量エネルギーになります。

このエネルギーは月自身に保持されています。
ですから、月は静的エネルギーの方向に移動し、
月の中心と地球の中心を結んだ直線上で地球の方向に動いていきます。
現象からすると、地球の質量エネルギーが静的エネルギーに補給されるように見えます。
そのエネルギーの器は、月の質量エネルギーの大きさしか無いので、
静的エネルギーの最大は月の質量エネルギーになります。
あくまでも推測ですが。予想?妄想?かもしれません。

そのままだと、
月は地球に向けて落ちてしまうので、
落ちないように、反対向きのエネルギーが月の中に保持されます。

そのエネルギーを「動的エネルギー」と呼びます。
というか、勝手に命名しました。

動的エネルギーは、静的エネルギーの方向に垂直な向きに動いた時に発生します。

その大きさは、月の速度の二乗に比例します。速度が大きなれば、
動的エネルギーが大きくなり、遅くなれば動的エネルギーが小さくなります。

動的エネルギーは静的エネルギーを相殺する効果があります。

静的エネルギーと動的エネルギーが同じなリ相殺(打ち消す)されてゼロになるとその位置で円軌道上を月が動くようになります。

当然、動的エネルギーと静的エネルギーがバランスしない状態があります。
この時は、楕円軌道になりますが、
近地点と延期地点のちょうど真ん中、
月の場合384,400kmのところで静的エネルギーと動的エネルギーがバランスします。
すなわち、その位置で円軌道上を動くので、円周を平均軌道速度で月は移動します。

しかし、実際は楕円軌道上を動いています。サイトの「楕円軌道」のページで述べましたが、
楕円軌道は「円軌道」+「単振動」です。
単振動の振幅fは、楕円軌道の焦点距離になります。
それは、円軌道から遠点、近点までの距離と同じになります。

そもそも月は円軌道上を動いていた。そして今も

と言っても、楕円軌道してるんじゃないの。と思われるかもしれません。
あえていうならば、今はみかけ上楕円軌道とでも言っておきます。
月が形成された時には、円軌道していたはずです。
と言い切ってしまうと、炎上しそうですが、
それでないと、今のエキセントリック軌道は説明つかないからです。
(国立天文台の太陽の影響によるエキセントリックな軌道の説明ならば、
他の説明で説明がつくかもしれません。)

詳細はサイトの二重衝突を参考にしてください。
月が生成された原因は4つほど考えられています。
現在、ジャイアントインパクト説が一番有力ですが、
それでも説明つかないことがあるそうです。

アポロが月から持って帰ってきた石がその疑問らしいです。

NATIONAL GEOGRAPHICより引用

ジャイアントインパクト説の最大の問題は、
ジャイアント・インパクト説のシナリオをそのまま採用するには、
地球と月の組成が似すぎていることだ。
月が主としてテイアの破片からできているなら、
その化学組成はテイアのそれに似ているはずだ。
そして従来から言われている通りテイアが、
太陽系内の遠くの場所からやってきたなら、
月とテイアの成分は地球のそれとは違っているはずで、
そのことはさまざまな同位体(陽子の数は同じだが、
中性子の数が違っている元素)の存在比の違いとして観察できるはずである。

 ところが、アポロ計画により持ち帰られた月の石を調べたところ、
地球と月の同位体比は非常によく似ていたのだ。
米サウスウエスト研究所のビル・ボトケ氏は、
「ジャイアント・インパクト説は数々の重要な観察事実をうまく説明できるすばらしいモデルなのですが、
同位体比の近さを説明することができないのです」と言う。

上手く説明できないところがある ジャイアントインパクト説

結局、アポロが持ち帰った月の石で、月と地球の同位体比が似ている。
とのことで、最初は一緒だったんじゃないかということです。
そこで、二つの予想を立ててみた。
1つ目は、地球と月の重心を中心に月と地球が回っていると仮定した場合です。
このケースですが、現在、重心を中心に地球と月が回っていると言われていますので有力です。

カロンとプルートのように最初大きなオリジナル天体があって、
それが、カロンとプルートに分かれて、
重心を中心に回っている事象と予想しているので、似ています。
オリジナルアースが月と地球に分かれて現在の軌道になっている。
と考えれば、プルートと地球の軌道が同じような形態というのも何となく納得できます。
元々同じ天体だったから、同位体比も同じで納得できます。

2つ目は、月が地球の中心を中心にして回っていると仮定した場合です。
太陽系が形成された時に、同時に地球と月が形成されたと考えられます。
太陽のチリやガスで地球ができたように、
地球のチリやガスで月が形成されたと考えれば、
当初月が円軌道だったことは納得がいきます。

しかし、地球は太陽の黄道に対して約25度くらい傾いて自転しています。
これはこの状態で地球から月が形成されたとすると、
月も黄道に対して約25度傾いて公転しているはずです。

しかし、月は黄道面に対して、5度程度しか傾いていません。
もしも、月が地球から形成されたとすれば、地球も黄道面に垂直に自転していたはずです。
このことから、月と地球が形成された当初、地球は傾いておらず、
何らかの原因で傾いて自転するようになった。
ということです。

原因として考えられるのは、他の天体が衝突した。
地球が爆発したなどが考えられますが、今後研究していく余地があります。

ところが、月の同位体比が全て同じという訳ではありません。
月のタングステンの同位体比が地球と異なるという論文が出ています。
ドイツのヴェストファーレン・ヴィルヘルム大学のトマス・クルイヤー氏の論文だ。

内容は、地球と月が形成された後に、冥王星サイズの天体がいくつか衝突した結果、
タングステンの重い同位体や親鉄元素(溶融したときに鉄に取り込まれやすい元素)がもたらされたというのである。
衝突が起こるまでは「月と地球のマントルのタングステン182の存在比は同じでした」

ということは、月に大きな天体が何度か衝突しているということです。
これは、このサイトの趣旨と合致します。

月は2度のジャイアントインパクトがあった

月のエキセントリック軌道を研究結果として、
2度の大きな小惑星の衝突が月にあった。という結論に達しました。
この結果が、このサイトを立ち上げた理由です。
研究結果を簡単に説明すると、
月は当初、地球から356400kmのところで円軌道上を周回していました。

その後、1回目の衝突で基準軌道360600km単振動振幅4200kmの楕円軌道上を周回するようになります。
そして363400kmの位置で2回目のかなり大きな衝突をします。
それにより基準軌道384400kmに移り、
振幅21000kmの楕円軌道と1回目の単振動が合成されて、
現在の軌道になった。ということです。

この結果と、トマス・クルイヤー氏の論文の内容とは一致します。
とすると、ジャイアントインパクトのようなウルトラC的(ちょっと古い)な形成より、
地球と月は同時期に形成されて、月は2度の衝突があったというのは、
あながち間違いではなさそうです。

最後に2度の軌道を変えるほどの衝突があったことは、
分かったけれど、軌道を詳しく調べれば、
小規模の衝突があることがわかるはずです。
これを「軌道分析による形成過程」と命名します。

国立天文台説明の月軌道実際に計算してみた

月の運動は複雑

ケプラーの法則大元は、万有引力の法則ですから、惑星だけでなく、月も地球の周りを楕円運動しています。しかし、太陽の影響により、軌道は一定ではなく、下記のような複雑な変化をしています。実際に計算してみると、地球が月を引っ張る引力(F3)は、太陽が月を引っ張る引力(F2)よりも小さいことがわかります。地球と月は相対的な位置を変えながら、一緒に太陽の周りを回っているともいえます。にもかかわらず、地球が月をとどめておけるのは、地球も月もともに太陽に引っ張られているからで、太陽が地球を引っ張る引力(F1)で太陽が月を引っ張る引力(F2)を相殺した分(F-F2)よりは地球が月を引っ張る引力(F3)が大きいからです。

F>F-F2と説明している

実際に計算してみた


太陽と地球の引力(F1)=Gme(M+me)÷R2=4.59028e26

太陽と月の引力 (F2)=Gmm(M+mm)÷R2=5.64747e24

相殺した分 ( F1– F2)=4.53381e26

地球と月の引力(F3)=Gmm(me+mm)÷r2=2.59972e24

実際計算すると、 F< F-F2 となり、説明と矛盾している。

    万有引力定数:G = 8.64768e-13 km3 h– 2 kg– 1 (6672.59e-14 m3s-2kg-1

    太陽の質量 :M=1.98910e30 kg

    地球の質量 :me=5.97219e24 kg

    月の質量  :mm=7.34767e22 kg

    太陽と地球の平均距離:R=1.49598e8 km 

    地球と月の平均距離 :R=3.84400e5 km 

解釈が違ったら申し訳ないが、教えていただけると助かります。これは、万有引力のネットワーク構造をもとに計算しているからではないか。親子関係つまりツリー型で考えれば、地球は太陽が親で、地球は太陽からエネルギーを継承されているので、その地球が月の親なので、地球と月の関係だけ考えればよいのではないかと。あえて引力で計算するにしても、太陽と地球の引力を計算してそれに地球と月の引力を加算して、太陽と地球の引力を引くというかたちになり、結局地球と月の引力を計算すればよいということではないか。力で天体の軌道をかんがえるのには少し無理がある。

さらに、「たとえば、スカイダイビングしている二人はどちらも地球に向かって落ちていますが、手をつないだり輪になったりできるのと似ています。」と例があるが

実際に計算してみた

太陽の質量=M

地球の質量=me

月の質量=mm

太陽と地球の距離=R

スカイダイバーA質量=m

スカイダイバーB質量=m

スカイダイバーと地球の距離=r

とすると

地球のスカイダーバーAに対する引力(F1)=Gm1(me + m1)÷r2

地球のスカイダーバーBに対する引力(F2)=Gm2(me + m2)÷r2

手をつないだとすると

F3=G(m1+m2)(me+m1+m2)÷r2≒ G(m1+m2)(me)÷r2

スカイダイバーAの質量がBの分増加したと考えて、スカイダイバーAに対して地球の引力が働いていることになる。

この例を、スカイダイバーAを地球、Bを月として 地球と月に置き換え、地球と月が引力により手をつないでいるとすると、F4=G(me+mm)M÷R2となる。これは、地球と月をあわせた質量の引力が、太陽と地球に対して働いていることになる。しかし、実際は、太陽と地球の引力は、地球のみの質量に対して働くので、矛盾が生じる。すなわち、地球と月は引力により手を繋いでいないことになる。

よって、スカイダイビングの引力関係の例と太陽、地球、月の引力関係の例は違う。

さらに、

月の公転による太陽の影響

太陽が月を引っ張る引力(赤線)と太陽が地球がを引っ張る引力(青線)を差し引いた力が(緑線)が、月の公転に対する、太陽の影響になります。

この影響は太陽と月の相対的な位置関係=月の満ち欠けや、月の楕円軌道の向き (近地点の方向) などに依存します。

実際に計算してみた

→青矢印

太陽と地球の引力(F1)=Gme(M+me)÷R2=4.59028e26

→赤矢印

太陽と月の引力近日点 (F21)=Gmm(M+mm)÷(R-r)2=5.67661e24

太陽と月の引力遠日点 (F22)=Gmm(M+mm)÷(R+r)2=5.61856e24

→緑矢印

近日点相殺した分 ( F1– F21)=4.53352e26

遠日点相殺した分 ( F1– F22)=4.53410e26

相殺した分が明らかに太陽と地球の引力(F1)の方が大きくなり、遠日点で太陽と地球の引力の方が小さくなるという説明と矛盾している。

  万有引力定数:G = 8.64768e-13 km3 h– 2 kg– 1 (6672.59e-14 m3s-2kg-1

  太陽の質量 :M=1.98910e30 kg

  地球の質量 :me=5.97219e24 kg

  月の質量  :mm=7.34767e22 kg

  太陽と地球の平均距離:R=1.49598e8 km 

  地球と月の平均距離 :R=3.84400e5 km 

この結果からすると、国立天文台の説明に無理があるのではないか。私の考え方計算が違っていたらご指摘いただきたい。