结构推理
质量为m的卫星以角速度绕质量为M的行星沿轨道运行.假定,卫星的自转可以忽略,行星以角速度自转,自转轴垂直于卫星的轨道平面.I为行星绕其轴的转动惯量,D为卫星至行星中心的距离.
(1)求行星卫星系统关于其质心的总角动量J和总能量E的表达式,从这两个表达式中消去D;
(2)通常两个角速度和是不相等的.假定有一种机制,例如潮汐摩擦在时
能使E减少但角动量守恒.从E作为的函数考虑,证明存在一初始条件范围使最终,且为最后的稳定的位形.
这一效应的著名例子出现在水星和它的卫星间还有金星和它的卫星间.(但是,在这
些例子中是与较轻的物体的自转有关联的).
【正确答案】解(1)由于,系统的质心可认为位于行星的中心.
(1)
(2)
由前式解出D,代入后式得
(2)考虑E作为的函数,潮汐摩擦使E减小,J不变,m仍近似围绕M做圆周运动,D与之间总有下列关系:
(3)
用式(1)、式(3),可将式(2)改写为
由式(3)得
(4)
由式(1)及,得
再用式(4),上式可改写为
(5)
对式两边对求导,并用式(4)、(5),得
(6)
潮汐摩擦是耗散力,E必然减小,因此在达到稳定运动以前,必,达到稳定运动时
还要求,即在时E取极小值,由式(6)及式(4)、(5)得
要求安始条件满足的范围为
或
说明:从题目所述,与是平行的,未说明同向还是反向,以上的解是考虑它们是同向的,如果是反向的。则(1)式应改为
式(5)改为
式(6)改为
可得在初始条件范围情况下,当时,达到最后的稳定运动。最后的稳定运动和对初始条件范围的要求结果相同。
【答案解析】