Punkt libracyjny

Rozmieszczenie punktów libracyjnych w układzie Ziemia–Słońce

Położenie punktów libracyjnych oraz potencjał ciała obracającego się razem z układem podwójnym. Punkty libracyjne są punktami stacjonarnymi potencjału grawitacyjnego

Punkt libracyjny, punkt libracji, punkt Lagrange’a^[1] – miejsce w przestrzeni w układzie dwóch ciał powiązanych grawitacją, w którym ciało o pomijalnej masie może pozostawać w spoczynku względem ciał układu. Punkt libracyjny nazywany jest także punktem Lagrange’a od nazwiska jego odkrywcy Josepha Lagrange’a.

Historia

Trzy punkty Lagrange’a (L₁, L₂, L₃) leżące na linii przebiegającej przez dwa oddziałujące ciała zostały odkryte przez szwajcarskiego matematyka Leonharda Eulera około 1750 roku, na około dziesięć lat przed odkryciem pozostałych dwóch przez urodzonego we Włoszech Josepha Lagrange’a^[2].

W 1772 roku Lagrange opublikował „Esej o problemie trzech ciał”. W pierwszym rozdziale rozważał ogólny problem trzech ciał. Na tej podstawie w drugim rozdziale zademonstrował dwa szczególne rozwiązania o stałym wzorze, dla dowolnych trzech mas o orbitach kołowych^[2].

Definicja

Dla każdego układu trzech ciał (dwa ciała główne i ciało próbne) występuje pięć takich punktów, oznaczanych na ogół od L₁ do L₅. Punkty L₁–L₃ znajdują się na linii przechodzącej przez ciała układu i są one niestabilne. Punkty L₄ i L₅ tworzą wraz z dwoma większymi ciałami trójkąt równoboczny i są liniowo stabilne, a dla niektórych stosunków niestabilne. Stabilność w tym przypadku oznacza, że jeżeli ciało będzie miało parametry ruchu niewiele różniące się od parametrów punktu, to pozostanie w okolicy tego punktu dowolnie długo. Niestabilność oznacza, że ciało takie oddali się od punktu libracyjnego.

Przykłady

W układzie Słońce–Ziemia ciało może pozostawać w spoczynku w układzie odniesienia, w którym Słońce i Ziemia spoczywają. W punktach tych następuje zrównoważenie sił grawitacji i bezwładności oddziałujących na ciało w układzie odniesienia związanym z tym ciałem.

W pobliżu punktów L₄ i L₅ układu Słońce–Jowisz krążą dwie grupy planetoid trojańskich.

Położenie punktów L₁–L₃

Dwa ciała o masie ${\displaystyle M_{1}}$ i ${\displaystyle M_{2}}$ powiązane siłami grawitacji, krążąc po orbitach kołowych poruszają się po okręgach, których środkiem jest środek masy układu. Odległość między środkami tych ciał oznaczmy jako ${\displaystyle d.}$

Prędkość kątową obrotu ${\displaystyle \omega }$ określa wtedy wzór:

${\displaystyle \omega ^{2}=G{\frac {M_{1}+M_{2}}{d^{3}}},}$

gdzie ${\displaystyle G}$ oznacza stałą grawitacji.

Środek masy (obrotu) znajduje się w odległości z od ciała o ${\displaystyle M_{1}{:}}$

${\displaystyle z=d{\frac {M_{2}}{M_{1}+M_{2}}}.}$

Układ obracających się ciał może być przyjęty za układ odniesienia dla trzeciego ciała o masie ${\displaystyle m}$. Na ciało ${\displaystyle m}$ znajdujące się w odległości ${\displaystyle x}$ od ciała ${\displaystyle M_{1}}$ działają siły ciał ${\displaystyle M_{1},}$ ${\displaystyle M_{2}}$ oraz siła bezwładności. Dla punktu L₁ znajdującego się między ciałami układu, siły działające na to ciało równoważą się, gdy:

${\displaystyle {\frac {GM_{2}m}{(d-x)^{2}}}+m\omega ^{2}(x-d{\frac {M_{2}}{M_{1}+M_{2}}})-{\frac {GM_{1}m}{x^{2}}}=0,}$

co odpowiada:

${\displaystyle {\frac {M_{2}}{(d-x)^{2}}}+{\frac {M_{1}+M_{2}}{d^{3}}}(x-d{\frac {M_{2}}{M_{1}+M_{2}}})-{\frac {M_{1}}{x^{2}}}=0.}$

Dla punktów L₂ i L₃ równanie zawiera takie same składniki, ale ze względu na zmianę zwrotów sił należy zmienić odpowiednio znaki dodawania i odejmowania.

Rozwiązanie analityczne równania nie jest możliwe. Przyjmując, że ciała układu znacznie różnią się masą (M₂<<M₁), punkty L₁ i L₂ są oddalone od ciała o mniejszej masie o^[3]:

${\displaystyle r\approx R{\sqrt[{3}]{\frac {M_{2}}{3M_{1}}}}.}$

Położenie punktów L₁ i L₂ w układzie:

• Słońce–Ziemia: 1 500 000 km od Ziemi,
• Ziemia–Księżyc: 60 000 km od Księżyca^[4].

Punkt L₃ znajduje się za ciałem M₁, w odległości od niego nieco większej niż odległość ciała M₂:

${\displaystyle r\approx R\left(1+{\frac {5}{12}}{\frac {M_{2}}{M_{1}}}\right).}$

Położenie punktów L₄ i L₅

W układzie, w którym pierwsza współrzędna określona jest przez linię przechodzącą przez oba ciała, a druga jest do niej prostopadła, położenie punktu L₄ określają wzory^[3]:

${\displaystyle x={\frac {R}{2}}{\frac {M_{1}-M_{2}}{M_{1}+M_{2}}},}$

${\displaystyle y={\sqrt {3}}{\frac {R}{2}}.}$

Jeżeli masa M₂ jest dużo mniejsza od M₁, to punkt ten jest położony w niemal takiej samej odległości od ciała centralnego jak ciało okrążające i wyprzedza je na orbicie o kąt 60°.

Punkt L₅ jest lustrzanym odbiciem punktu L₄ względem prostej łączącej ciała.

Znaczenie praktyczne

Punkt L4 w układzie Ziemia–Księżyc

Punkty libracyjne są wykorzystywane jako szczególnie dogodne lokalizacje instalacji kosmicznych.

W układzie Ziemia–Księżyc

Punkt L₁ może być cenną lokalizacją dla stacji kosmicznej z uwagi na położenie pomiędzy Ziemią a Księżycem. Punkt L₂ jest dobrym miejscem do umieszczenia radioteleskopu, ponieważ Księżyc chroni go przed zakłóceniami radiowymi z Ziemi.

W układzie Ziemia–Słońce

Punkt L₁ znajduje się blisko Ziemi i jest ciągle oświetlany przez Słońce. Czyni go to użytecznym do prowadzenia obserwacji Słońca lub do pozyskiwania energii słonecznej. Na orbicie w pobliżu tego punktu zostało umieszczone obserwatorium SOHO. Punkt L₂ znajduje się stale w półcieniu Ziemi, co czyni go dobrym miejscem do prowadzenia obserwacji planet zewnętrznych lub obszaru poza Układem Słonecznym. Na orbitach w pobliżu tego punktu umieszczono m.in. Kosmiczne Obserwatorium Herschela, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i satelitę Planck.

widok ze Słońca

widok z równika niebieskiego

widok z bieguna niebieskiego

Animacja trajektorii Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

W drugiej połowie 2009 w pobliżu punktów L₄ i L₅ przeleciały sondy STEREO, których głównym zadaniem jest jednoczesne wykonywanie zdjęć z dwóch miejsc, umożliwiające tworzenie zdjęć stereoskopowych (3D)^[5].

W przypadku kolonizacji Marsa bezpośrednia łączność może zostać zablokowana na około 2 tygodnie w ciągu każdego okresu synodycznego, na czas trwania koniunkcji, gdy Słońce znajduje się pomiędzy Marsem a Ziemią^[6]. Satelita komunikacyjny znajdujący się w punkcie L₄ lub L₅ może służyć jako pośrednik w takiej sytuacji.

Zobacz też

• księżyce Kordylewskiego
• libracja
• powierzchnia Roche’a
• strefa Hilla
• trojańczycy

Przypisy

1. punkty libracji, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2023-03-16] .
2. Wang SangW.S. Koon Wang SangW.S. i inni, Dynamical Systems, the Three-Body Problem and Space Mission Design [online], 2011 [dostęp 2024-08-31] [zarchiwizowane z adresu] .zarchiwizowano?
3. Neil Cornish: The Lagrange points. [dostęp 2013-08-31]. [zarchiwizowane z tego adresu].
4. Zegler, Frank; Bernard Kutter (2010-09-02). „Evolving to a Depot-Based Space Transportation Architecture”. AIAA SPACE 2010 Conference & Exposition. AIAA. p. 4. Retrieved 2011-08-30. „We can create an energy savings account by moving propellant to the earth-moon Lagrange points – especially L2. Located 60,000 km beyond the moon, propellant or cargo cached at L2 is very nearly at earth escape energy. It takes only a small nudge to dislodge it from Earth’s gravitational grasp. This has been known for decades and L2 is often called a gateway to the solar system”.
5. Join STEREO and Explore Gravitational „Parking Lots” That May Hold Secret of Moon’s Origin. NASA. [dostęp 2010-03-02]. (ang.).
6. During Solar Conjunction, Mars Spacecraft Will Be on Autopilot. JPL, NASA. [dostęp 2013-01-10]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-09-27)]. (ang.).

Linki zewnętrzne

• Wyznaczenie położenia punktów
• Fabio Pacucci, Lagrange points: Park your spacecraft here (ang.), kanał TED-Ed na YouTube, 10 sierpnia 2023 [dostęp 2024-08-30].

Kontrola autorytatywna (położenie):

• BnF: 16258674h

Encyklopedie internetowe:

• PWN: 3964577
• Britannica: science/Lagrangian-point
• БРЭ: 2130950
• SNL: lagrangepunkt
• Catalana: 0036315