Snelheid op een bepaald punt van een ellipsvormige baan berekenen.

Iwan stelde deze vraag op 14 april 2022 om 12:19.

Wij vragen ons af hoe we de snelheid op een bepaald punt van een ellipsvormige baan kunnen berekenen. Wij doen dit voor de manen van Jupiter, en willen weten wat de snelheid is als een maan bijvoorbeeld bij het aphelium ligt. Is er een formule om de snelheid op bepaalde punten in die baan te berekenen en hoe moeten wij het gebruiken?

Alvast bedankt!

Reacties

Gert Kiers op 15 april 2022 om 16:12
Meestal gebruik je het zogenaamde viriaaltheorema: Eg = – 2* Ek .
Zie ook: 
https://www.natuurkunde.nl/opdrachten/3272/de-kracht-van-het-viriaal-theorema-vwo-examen-2017-2-opg-3
Jaap op 15 april 2022 om 22:29
Dag Iwan en Naoufal,
Jupiter is veel zwaarder dan zijn manen. Daarom kunnen we in goede benadering aannemen dat Jupiter in rust blijft terwijl een maan er omheen draait. Het punt waar de maan het verst van Jupiter verwijderd is, noemen we de apo-apsis. Het punt waar de maan het dichtst bij Jupiter is, heet de peri-apsis. (We spreken van aphelium en perihelium bij dingen die om de zon draaien.) De afstand tussen de middelpunten van Jupiter en de maan in de apoapsis is ra en in de periapsis is het rp.
Voor de snelheid v van de maan in de apoapsis en periapsis geldt:



Deze uitdrukkingen gelden ook voor een planeet die om een ster draait, een kunstmaan die om de aarde draait enzovoort. Een afleiding is boven het niveau van het Nederlandse vwo.
G=6,67430·10–11 m³/(kg·s²) is de gravitatieconstante.
M is de massa van het centrale lichaam. Die van Jupiter is M=1,8982·1027 kg.

Io, Europa, Ganymedes en Callisto (de vier grootste manen van Jupiter) volgen banen die slechts weinig van een cirkel afwijken. De snelheid van zo'n maan in de apoapsis en periapsis verschilt niet veel van de snelheid bij een eenparige cirkelbeweging. Dat is misschien voor jullie doel niet erg illustratief. Het verschil in snelheid is groter naarmate de ellipsbaan meer langgerekt is.

Als voorbeeld: de maan Himalia.
Uit gegevens van wikipedia volgt ra=13,140·109 m en rp=9,637·109 m.
De bovenstaande uitdrukkingen geven va=2856 m/s en vp=3894 m/s.
Bij een eenparige cirkelbeweging met dezelfde omlooptijd is v=3335 m/s.

Nadat je de snelheid in de apoapsis (of periapsis) hebt berekend, kun je de snelheid in een willekeurig punt van de ellipsbaan berekenen als de afstand tot Jupiter bekend is. De hoeveelheid mechanische energie Emech=Ek+Ep is namelijk constant over de hele baan. Ep is de potentiële energie van de maan, in dit geval in de vorm van gravitatie-energie Eg=–G·M·m/r. Ek is de kinetische energie van de maan.
Ga na: voor de snelheid v op een afstand r geldt v²–2·G·M/r=va²–2·G·M/ra.
Groet, Jaap
Jaap op 15 april 2022 om 23:25
Dag Gert,
De vraag van Iwan en Naoufel gaat over de snelheid in het aphelium (apo-apsis). Of de snelheid in een ander punt van een ellipsbaan. Hoe we deze snelheid rechtstreeks kunnen berekenen met het viriaaltheorema, zie ik nog niet. Kun je dat uitleggen met een voorbeeld?

Toelichting… Het viriaaltheorema in de bovenstaande vorm geldt in het algemeen voor het gemiddelde van Ek en Eg (of de totale energie E) over langere tijd, bij voorbeeld een hele omloop. Dat geeft niet zonder meer de snelheid in een specifiek punt (apoapsis).
De relevante vragen van de examenopgave 'De kracht van het viriaal-theorema' zijn beperkt tot een cirkelbeweging, wat ook niet leidt tot de snelheid in de apoapsis. Noch √(G·M/a), noch √(G·M/ra) geeft de juiste snelheid va in de apoapsis (a is de halve lange as, ra is de afstand van maan tot Jupiter in de apoapsis).
Juist is wel va=√(G·M·[2/ra–1/a]) maar dat is minder eenvoudig dan het theorema op het eerste gezicht lijkt.
Groet, Jaap

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Clara heeft veertien appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Clara nu over?

Antwoord: (vul een getal in)