Analyse: vraagstuk van Kepler



Vergelijkbare documenten
De wortel uit min één, Cardano, Kepler en Newton

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Hertentamen 23 december 2014

Speciale functies. 2.1 Exponentiële functie en natuurlijke logaritme

OF (vermits y = dy. dx ) P (x, y) dy + Q(x, y) dx = 0

1a Laat x variëren van 0 tot 2; kies een willekeurige maar wel vaste x tussen 0 en 2; de bijbehorende y varieert van 0 tot

Overgangsverschijnselen

Opgaven Functies en Reeksen. E.P. van den Ban

FORMULARIUM. Inhoudsopgave. 1 Algebra 2. 2 Lineaire algebra 4. 3 Vlakke meetkunde 5. 4 Goniometrie 7. 5 Ruimtemeetkunde 10

-- IX (q)e - ie 2 t/h

Inleiding tot de dynamica van atmosferen Krachten

7 College 01/12: Electrische velden, Wet van Gauss

Het brachistochroonprobleem van een magneet in een niet-uniform magneetveld

ENKELE VOORBEELDEN UIT TE WERKEN MET ICT

4. Maak een tekening:

Appendix: Zwaartepunten

Zomercursus Wiskunde. Module 7 Poolcoördinaten (versie 22 augustus 2011)

2.1 Exponentiële functie en natuurlijke logaritme

(Assistenten zijn Sofie Burggraeve, Bart Jacobs, Annelies Jaspers, Nele Lejon, Daan Michiels, Michael Moreels, Berdien Peeters en Pieter Segaert).

2. Hoelang moet de tweede faze duren om de hoeveelheid zout in de tank op het einde van de eerste faze, op de helft terug te brengen?

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Hertentamen 2 januari 2014

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Keplers wetten en Newtons gravitatie

2 Kromming van een geparametriseerde kromme in het vlak

Respons van een voertuig bij passage over een verkeersdrempel

Voorbeeldopgaven Meetkunde voor B

( ) Hoofdstuk 4 Verloop van functies. 4.1 De grafiek van ( ) Spiegelen t.o.v. de x-as, y-as en de oorsprong

Afleiding Kepler s eerste wet, op basis van Newton s wetten

Toegepaste wiskunde. voor het hoger beroepsonderwijs. Deel 2 Derde, herziene druk. Uitwerking herhalingsopgaven hoofdstuk 6

1e bachelor ingenieurswetenschappen Modeloplossing examen oefeningen analyse I, januari y = u sin(vt) dt. wordt voorgesteld door de matrix

Hertentamen WISN102 Wiskundige Technieken 2 Di 17 april 13:30 16:30

De leraar fysica als goochelaar. lesvoorbeeld: harmonische trillingen

Kleine Mechanica van de Schaatsslag

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Vlakke meetkunde. Module Geijkte rechte Afstand tussen twee punten Midden van een lijnstuk

Klassieke Mechanica a (Tentamen 11 mei 2012) Uitwerkingen

Integratietechnieken: substitutie en partiële integratie

Tentamen Klassieke Mechanica, 29 Augustus 2007

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Formule afleiding opgaven bij de cursus Algemene relativiteitstheorie Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

In dit college bekijken we een aantal technieken om integralen te bepalen van trigonometrische functies en van rationale functies.

Gravitatie en kosmologie

Stelsels van vergelijkingen

De Wageningse Methode 5&6 VWO wiskunde B Uitgebreide antwoorden Hoofdstuk 2 Regels voor differentiëren

2.1 Twee gekoppelde oscillatoren zonder aandrijving

Aanvullingen van de Wiskunde

Vectormeetkunde in R 3

Oefening 4.3. Zoek een positief natuurlijk getal zodanig dat de helft een kwadraat is, een derde is een derdemacht en een vijfde is een vijfdemacht.

Commutatie-relaties voor impulsmoment

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Tentamen 3 november 2014

6. Toon aan dat voor alle 2]0; ß [ geldt dat sin <<tan Onderstel dat de functie f afleidbaar in ]a; +1[ is en dat Toon aan dat!+1 f ) = A.!+1 f

Doe de noodzakelijke berekeningen met de hand; gebruik Maple ter controle.

Wiskundige Technieken

Uitwerkingen Tentamen Natuurkunde-1

Hoofdstuk 7: Stelsels eerste orde lineaire differentiaalvergelijkingen

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Uitwerking Tentamen Calculus, 2DM10, maandag 22 januari 2007

héöéäëåéçéå=~äë=ãééíâìåçáöé=éä~~íëéå=ãéí=`~äêá= = hçéå=píìäéåë= = = = = = = =

Math D2 Gauss (Wiskunde leerlijn TOM) Deelnemende Modules: /FMHT/ / A. Oefententamen #2 Uitwerking

1. Langere vraag over de theorie

1. Een van mijn collega s, liet een mooi verhaal zien: De opgave was: Los op ln(x + 2) ln(x + 1) = 1.


Lineaire dv van orde 2 met constante coefficienten

wiskunde B pilot havo 2015-II

1 Efficient oversteken van een stromende rivier

Eindopdracht Wiskunde en Cultuur 2-4: Geostationaire satellieten Door: Yoeri Groffen en Mohamed El Majoudi Datum: 20 juni 2011

Eindexamen vwo wiskunde B pilot 2014-II

Deze actie kadert binnen het project SOLABIO-'Soorten en landschappen als dragers voor biodiversiteit', mede gefinancierd door het Europees programma

Eindexamen wiskunde B1-2 vwo 2007-II

Basiskennistoets wiskunde

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Math D2 Gauss (Wiskunde leerlijn TOM) Deelnemende Modules: /FMHT/ / A. Oefententamen #1 Uitwerking.

ICT in de lessen wiskunde van de 3de graad: een overzicht

Examen Algemene natuurkunde 1, oplossing

1. Langere vraag over de theorie

Langere vraag over de theorie

Uitwerkingen van het Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C Januari uur

Indicatie van voorkennis per les Algemene relativiteitstheorie Docent: Dr. H. (Harm) van der Lek

Op een veer van 10 N/m wordt een kracht van 0,55 N uitgeoefend. Hoeveel is de veer langer geworden hierdoor?

Banen in een centraal krachtveld

De spannning bij een tussen twee punten belast koord

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

TRAAGHEIDSMOMENTEN + OPLOSSINGEN VAN OPGAVEN

6) Kegelsneden. K, zodat de componenten zijn r y. K : 5 4 4, zodat de componenten zijn 1. K : , zodat de componenten zijn 2 2

Samenvatting Wiskunde B

Construeer telkens twee hoeken waarvan de cosinus of sinus gegeven is. Teken voor elke opgave een andere goniometrische cirkel.

Uitwerkingen Mei Eindexamen VWO Wiskunde B. Nederlands Mathematisch Instituut Voor Onderwijs en Onderzoek

Ijkingstoets industrieel ingenieur aangeboden door UGent en VUB op 30 juni 2014: algemene feedback

Eindexamen vwo wiskunde B pilot 2014-I

Te kennen leerstof wiskunde voor het toelatingsexamen graduaten. Lea De Bie

Wiskunde klas 3. Vaardigheden. Inhoudsopgave. 1. Breuken Gelijksoortige termen samennemen Rekenen met machten Rekenen met wortels 4

Je mag Zorich deel I en II gebruiken, maar geen ander hulpmiddelen (zoals andere boeken, aantekeningen, rekenmachine etc.)!

Je moet nu voor jezelf een overzicht zien te krijgen over het onderwerp Complexe getallen. Een eigen samenvatting maken is nuttig.

KEPLERSE BANEN ONCONVENTIONEEL

TOELATINGSEXAMEN ANALYSE BURGERLIJK INGENIEUR EN BURGERLIJK INGENIEUR ARCHTECT - 3 JULI 2003 BLZ 1/8

Centrale Commissie Voortentamen Wiskunde Uitwerkingen Voortentamen Wiskunde B 28 januari 2013

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Tentamen Calculus C (2WCB1) op zaterdag 25 januari 2014, 9:00 12:00 uur

STOOMTURBINES - A - PROEFTOETS- AT01 - OPGAVEN EN UITWERKINGEN.doc 1/13

2 Kromming van een geparametriseerde kromme in het vlak. Veronderstel dat een kromme in het vlak gegeven is door een parametervoorstelling

vwo wiskunde b Baanversnelling de Wageningse Methode

Oefenzitting 2: Parametrisaties.

Transcriptie:

Analyse: vraagstuk van Kepler Deel : Afleiden tweede wet (wet der perken) Redelijk simpel. Uit de bewegingsvergelijking volgt dat =. Dit impliceert dat = =. Als je weet dat de tangentiële component van de sneleidsvector als grootte eeft dan komt dit op et volgende neer: ² = Deel beide leden door twee en je ebt in et linkerlid een elementair stuk oppervlakte (waarbij de straal r reeds geïntegreerd is). Bovendien zien we direct dat na integratie dit oppervlak altijd etzelfde zal zijn bij even grote tijdsintervallen, waarmee we besluiten: Tweede wet van Kepler (Wet der perken): De planeet beweegt rond de zon met dusdanige sneleid dat de voerstraal planeet - zon gelijke oppervlakken in gelijke tijdsintervallen bescrijft. (Deze ele bespreking kan in een notendop samengevat worden; beoud van impulsmoment, aangezien we ier met een centrale kract te maken ebben, zie Teoretisce Mecanica). -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Deel 2: Afleiden eerste wet en ellipsvergelijking. We keren terug naar de bewegingsvergelijking. We nemen van beide leden et inwendig product met. = ³. Hetgeen, rekening oudend met de componenten van de vectoren in poolcoördinaten, na integratie oplevert: 2 = Met E T de integratieconstante, die als betekening totale energie eeft 2 ( +²²) = We vervangen waar nodig alle tijdsafgeleiden van θ met beulp van: = ² Hetgeen uit analyse van de newtonvergelijkingen een constante blijkt te zijn (zie Teoretisce Mecanica I: Eerste Integralen). Eveneens vervangen we in de tijdsafgeleide van r de dt door dθ(dt/dθ):

2! ²+²²" = 2 #$ % & + ' = Hiermee ebben we een differentiaalvergelijking met twee onbekenden tot een met één onbekende erleid. Tenslotte doen we een substitutie: u = /r = ( ( = ( (² 2 (! +( " ( = Leiden we deze ele vergelijking af naar θ, en elimineren we alle overbodige factoren: ² ²( ² + ²( = 0 Dit is onze finale differentiaalvergelijking (een niet-omogene lineaire armonisce oscillator) met als oplossing: (() = + *cos(.) ² A en ω zijn integratieconstanten. We nemen voor volgende bescouwingen zonder verlies van algemeeneid aan dat ω=0, dat de minimale afstand tot de zon in θ=0 ligt. Hier de reciproke van nemen toont direct aan dat de baan een kegelsnede is: () = + * cos Formeel: () = Het punt bij θ=π/2 noemt men et semilatus rectum. / +0cos (De ele bespreking omtrent de excentriciteit e laat ik ier weg.) Eerste wet van Kepler: De relatieve baan van een planeet om de zon is een ellips, met de zon in een van de brandpunten. 2

Deel 3: Afleiden betrekking voor de totale energie Kijken we even terug naar et resultaat van et vorige deel dan zien we onmiddellijk: * = 0 / = = 2/ Eveneens kunnen we uit de vergelijking voor de ellips direct afleiden wat de kortste en langste afstand planeet zon is: 3 = / +0 4 = / 0 Met deze betrekkingen kunnen we aan de slag om een uitdrukking voor de totale energie te zoeken. We beginnen ier bij een differentiaalvergelijking die we eerder vonden voor u, samen met de oplossing: 2 (! +( " ( = (() = + *cos(.) ² Dit uitwerken (ga ik ier niet doen) en vervolgens A substitueren leidt tot: = (0 ) 2 (< 0 677 0889/:0;) Vervolgens realiseren we ons dat als we r m en r M optellen, dit niets minder is dan 2a, met a de grote as van de ellips: Waaruit we direct zien dat : 3 + 4 = 2< = 2/ 0 ( 0 ) = Waaruit: = / 2< = 2< Waarbij we bij de laatste stap gesubstitueerd ebben. 3

Deel 4: Derde wet van Kepler We maken nu even een omweg, aangezien dit stuk in de les pas werd gegeven ná et stuk dat et verband legt tussen de excentrisce en ware anomalie. Mijns inziens is et ecter beter om eerst de derde wet af te leiden, gezien dit beter aansluit bij de vorige drie delen. Nemen we wederom de betrekking waarmee we de wet der perken ebben afgeleid, en integreren we deze: > = 2? @<A = 2 B = = 2? Hetgeen een link legt tussen de oppervlakte van een ellips en zijn periode. Nu gaan we enkele substituties maken: Waarmee we bekomen: We gaan nu wederom substituëren. A = <2 0 = 2/ = 2<( 0 ) @<² = <B 2 ; = 2@ B (Eigenlijk is dit niets minder dan de gemiddelde angulaire frequentie, maar in de bespreking tijdens de les noemden we dit dus n. Dit wordt in de nota's als integraal uitgewerkt, maar de uitwerking snap ik niet elemaal.) We bekomen: En dus uiteindelijk: < D = ; ; < D = Dit is niets minder dan de derde wet die zegt dat a 3 ~ T². Derde wet van Kepler: Het kwadraat van de omloopstijd van een planeet om de zon is evenredig met de derde mact van de alve grote as van zijn baan. 4

Deel 5: Verband ware en excentrisce anomalie We gaan nu et verband leggen tussen de ware en excentrisce anomalie. Er zijn twee manieren om de baan de bescrijven, deze met de zon in de oorsprong, en deze met et middelpunt van de ellips in de oorsprong. Noemen we deze respectievelijk (x,y) en (x',y') dan is: en: E = cos6 F = sin6 / I0 = +0J7: 6 E K = <cos = <0+E F K = Asin = F v is ierbij de ware anomalie, E de excentrisce anomalie. Met de vergelijking van x' gaan we nu verder: <cos = <0+ /cos6 +0cos6 = /cos6+<0+<0 cos6 +0cos6 Houden we nu rekening met een betrekking die we in deel 3 bekwamen, namelijk p = a(-e²), dan versimpelt dit de vergelijking: <cos = <( 0+cos6) +0cos6 5

Lossen we dit op naar cos v: cos6 = cos 0 0cos Dit is ecter niet de meest elegante vergelijking die we kunnen bedenken om verband (v,e) te vinden. We voeren daarom een kunstgreep uit: cos6 0cos cos + 0 = +cos6 0cos +cos 0 = +0 cos 0+cos Met beulp van de volgende goniometrisce regel: cos< = cos < 2 sin< 2 is et simpel om de vergelijking nog eleganter te maken: Hetgeen is wat we in dit deel moeten bekomen. tan 6 2 = N +0 0 tan 2 Ten slotte, alvorens we aan et sluitstuk beginnen, nog één laatste betrekking opstelling die r uitdrukt in functie van E, die in et volgende deel van pas zal komen. Als we in = O PQRSTU V WXYZ[R cos v substitueren met dan bekomen we et volgende: P[RWXYZ = <( 0cos) -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Deel 6: Opstellen vergelijking van Kepler Dit deel is zonder twijfel et moeilijkste, aangezien voor et opstellen van de vergelijking van Kepler allerlei betrekkingen uit versceidene van de vorige 5 delen aan bod komen. De belangrijkste: = 2/ = ² = ; < D = <( 0cos) / = +0cos = 2< We beginnen deze bespreking met een eraling van de energiebeoudswet: 2 ( + ) = 6

Hierbij ebben we al meteen de eerste van de bovenstaande vergelijkingen toegepast. We zullen nu term per term deze vergelijking uitwerken: = / (+0cos6) 2 = 2/ (+0cos6)² Als je de eerste vergelijking van de tweede aftrekt en dan uitwerkt: Nu nog de resterende twee termen: 2 = 2/ (0 cos²6 ) = 2< 2 ² = < 0 2 :9;²() ² De afgeleide van r aal je gemakkelijk uit de derde vergelijking die vernoemd is aan et begin van dit gedeelte. Alles bij elkaar optellen geeft de volgende vergelijking: 2/ (0 cos 6 )+ < 0 2 :9;() = 2< Als we nu μ substitueren via de tweede gegeven vergelijking alsook p=a(-e²) en alle onnodige factoren scrappen: ; 0 0 cos 6 ; 0 +0 sin = ; We kunnen de middenste term van et LL en et RL vereenvoudigen: Vervolgens alle overbodige e² factoren scrappen: Ook dit vereenvoudigt gemakkelijk: ; + ; 0 = 0 ; 0 ; 0 cos 6 +sin = ; 0 ;sin6 = 2 0²sin sin v, erinneren we ons, is y/r. Maar uit de bespreking van de anomalieën vonden we ook dat y' = y = b sin E. 7

Dit samen met r = a ( - e cos E) reduceert de vergelijking tot et volgende: ;A = 2 0²<( 0cos) Dit erscikken en integreren levert ons ten slotte: ;( \) = 0sin τ is een integratieconstante die als betekenis eeft et tijdstip waarop de planeet door et perielium gaat. Het linkerlid is feite een denkbeeldige oek die de planeet zou ebben afgelegd over een tijdspanne t - τ op aar baan, als aar oeksneleid constant gelijk was aan n. Deze denkbeeldige oek noemen we M, de middelbare anomalie. Waaruit eindelijk de vergelijking van Kepler: I = 0sin Ten slotte nog opmerken dat deze vergelijking transcendent is in E. Deze kunnen we iteratief oplossen:? = I P = I +0sinI = I +0sin P -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Einde Samenvatting -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8