EQUILIBRIUM — TECHNICAL FIELD GUIDE / ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК
PHASETHE PROBLEM
SYSTEM—
STATUS—
РИС. 00 — ПЯТЬ МЕСТ, ГДЕ МОЖНО ЗАСТЫТЬ НА ОРБИТЕ ЛАГРАНЖ, 1772

РАВНОВЕСИЕ
ПОЛЕВОЙ СПРАВОЧНИК ПО ТОЧКАМ ЛАГРАНЖА

Десять глав о пяти точках, где гравитация и вращение взаимно уравновешиваются, — разобранных с настоящими формулами, а не только на уровне идеи, — и о том, где эти точки в итоге оказываются: от аппаратов, «припаркованных» у Земли, до роёв астероидов, сопровождающих Юпитер. Пролистайте вниз, чтобы начать.

НАЧАТЬ — ГЛАВА 01 →
CH.01 / 10 — ЗАДАЧА ТРЁХ ТЕЛ

Два тела решаются точно. Три — нет.

Закон тяготения Ньютона даёт точное решение в замкнутой форме для двух тел, обращающихся друг вокруг друга: эллипс, полностью описываемый законами Кеплера. Добавьте третье тело — и в общем случае такой формулы уже не существует: систему приходится моделировать шаг за шагом, и она навсегда остаётся чувствительной к начальным условиям.

В 1772 году Жозеф Луи Лагранж нашёл частный случай, который всё же решается точно: предположить, что третье тело настолько мало, что не влияет на два других, продолжающих обычное круговое движение вокруг общего центра масс. При таком ограничении — «ограниченной задаче трёх тел» — он обнаружил ровно пять точек, где третье тело может оставаться неподвижным относительно двух других — навсегда.

ДОПУЩЕНИЕ ОГРАНИЧЕННОЙ ЗАДАЧИ ТРЁХ ТЕЛ
m3 ≪ m1,  m2  →  m1, m2 orbit their barycentre undisturbed
CH.02 / 10 — ВРАЩАЮЩАЯСЯ СИСТЕМА ОТСЧЁТА

«Замораживаем» картину, вращаясь вместе с ней

Приём, делающий задачу разрешимой: перейти в систему отсчёта, вращающуюся с той же скоростью, с которой два крупных тела обращаются вокруг общего центра масс. В этой системе оба крупных тела кажутся неподвижными, а третье, малое тело испытывает три кажущиеся силы — реальную гравитацию каждого крупного тела и центробежную силу, толкающую его наружу от оси вращения.

Объединив гравитацию и центробежный член, получаем единый «эффективный потенциал». Точка Лагранжа — это просто место, где этот суммарный потенциал плоский: его градиент равен нулю, и объект ничто не выталкивает ни в одном направлении, по крайней мере в первом приближении.

УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ
ω² = G(M1 + M2) / R³
R — расстояние между двумя крупными телами. Это просто перегруппированный третий закон Кеплера.
ЭФФЕКТИВНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ (НА ЕДИНИЦУ МАССЫ)
Φeff = −GM1/r1 − GM2/r2 − ½ω²(x² + y²)
r₁, r₂ — расстояния от пробной точки до каждого крупного тела. В точках Лагранжа ∇Φₑff = 0.
CH.03 / 10 — ПЯТЬ ТОЧЕК РАВНОВЕСИЯ

Решите ∇Φₑff = 0 — и получите ровно пять точек

Три лежат на прямой, проходящей через оба крупных тела, — L1, L2 и L3. Два образуют равносторонние треугольники с этой парой — L4 и L5, один впереди, другой позади орбиты меньшего тела.

Потяните ползунок отношения масс ниже или выберите реальную систему — и посмотрите, куда попадут все пять точек.

ОТНОШЕНИЕ МАСС μ = M₂/(M₁+M₂)0.0100
CH.04 / 10 — L1 — ВНУТРЕННИЕ ВОРОТА

Между двумя телами, ближе к меньшему

L1 находится между двумя массами. Здесь гравитация меньшего тела работает против притяжения большего, поэтому точка может обращаться синхронно с парой на чуть меньшем радиусе, чем потребовалось бы для самостоятельной орбиты вокруг одного лишь крупного тела.

Для системы Солнце — Земля эта формула предсказывает примерно 1,5 миллиона км в сторону Солнца от Земли — почти точно там, где с 1995 года непрерывно наблюдает за Солнцем аппарат SOHO.

РАССТОЯНИЕ L1 ОТ МЕНЬШЕГО ТЕЛА (M₂ ≪ M₁)
rL1 ≈ R · ∛(M2 / 3M1)
Пример расчёта, Солнце — Земля: M₂/M₁ ≈ 3,00×10⁻⁶ → r ≈ 0,01 R ≈ 1,5×10⁶ км.
CH.05 / 10 — L2 — НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЙ ПУНКТ

Та же формула, противоположная сторона

L2 находится чуть за меньшим телом, в стороне от большего, почти на том же расстоянии, что и L1, — формула первого порядка идентична. Физически суммарная гравитация обоих тел там достаточно сильна, чтобы удерживать объект на орбите с периодом, совпадающим с земным годом, хотя сам объект находится дальше от Солнца, чем Земля.

Именно здесь находятся «Уэбб», Gaia и Euclid — постоянно затенённые Землёй от Солнца, на расстоянии, достаточно близком для высокоскоростной связи, но достаточно далёком для полной тепловой изоляции.

РАССТОЯНИЕ L2 ОТ МЕНЬШЕГО ТЕЛА (M₂ ≪ M₁)
rL2 ≈ R · ∛(M2 / 3M1)
Тот же порядок величины, что и у L1, — для Солнца и Земли также около 1,5×10⁶ км, что совпадает с реальным положением «Уэбба».
CH.06 / 10 — L3 — СКРЫТАЯ ТОЧКА

За Солнцем, почти точно на орбите Земли

L3 находится по другую сторону крупного тела от меньшего — для пары Солнце — Земля это точка, постоянно скрытая за Солнцем. Поправочный член крайне мал: для массы Земли он составляет всего несколько сотен километров дальше от Солнца, чем собственная орбита Земли.

Постоянное укрытие за Солнцем сделало эту точку любимицей научной фантастики — «Контр-Земля», которую никто и никогда не мог увидеть. Такой планеты не существует; аппараты, наблюдавшие сбоку, давно подтвердили, что там ничего нет.

РАССТОЯНИЕ L3 ОТ БОЛЬШОГО ТЕЛА
rL3 ≈ R · (1 + 5M2 / 12M1)
Пример расчёта, Солнце — Земля: поправка составляет лишь ≈1,25×10⁻⁶ R ≈ 187 км сверх радиуса орбиты Земли.
CH.07 / 10 — L4 И L5 — УСТОЙЧИВЫЕ ТРЕУГОЛЬНИКИ

Точный результат при любом отношении масс

В отличие от L1, L2 и L3, положения L4 и L5 вообще не требуют приближений — они находятся ровно в тех двух точках, которые образуют равносторонний треугольник с двумя крупными телами, точно, независимо от отношения масс между ними.

А вот останется ли объект вблизи этой точки на практике, полностью зависит от отношения масс: ниже чёткого порога малые возмущения закручиваются обратно вокруг точки, а не нарастают.

КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ L4 / L5
μ = M2/(M1+M2)  <  ½(1 − √(23/27)) ≈ 0.0385
Ниже этого отношения L4/L5 динамически устойчивы благодаря силе Кориолиса. Выше — нет.
μ ≈ 0.000954
СОЛНЦЕ–ЮПИТЕР — УСТОЙЧИВО
μ ≈ 0.0121
ЗЕМЛЯ–ЛУНА — УСТОЙЧИВО
μ ≈ 0.108
ПЛУТОН–ХАРОН — НЕУСТОЙЧИВО
CH.08 / 10 — ПОЧЕМУ УСТОЙЧИВОСТЬ РАЗНАЯ

На вершине холма, которая заворачивает вас обратно

L1, L2 и L3 — седловые точки эффективного потенциала: устойчивые в одних направлениях, неустойчивые в других. Любое малое отклонение со временем нарастает, поэтому аппараты, «припаркованные» там, летают по небольшим петлевым траекториям и раз в несколько недель включают двигатели, чтобы удержаться на месте.

L4 и L5 находятся на локальных вершинах того же потенциала, что, казалось бы, должно быть ещё менее устойчиво. Но объект, отклоняющийся от такой вершины, приобретает боковое движение, и сила Кориолиса заворачивает это движение обратно вокруг точки, а не позволяет ему уйти, — при условии, что отношение масс достаточно мало. Это один из наиболее контринтуитивных результатов небесной механики: максимум потенциальной энергии, тем не менее динамически устойчивый.

РИС. 8.1 — СХЕМАТИЧНЫЕ ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ЛИНИИ (ИЛЛЮСТРАТИВНО, БЕЗ РАСЧЁТА)

CH.09 / 10 — ПО ВСЕЙ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ

У каждой обращающейся пары — свой набор из пяти точек

Формулы применимы к любой двухтельной системе — не только к Солнцу и планете.

CH.10 / 10 — МИССИИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ИХ

От одного «охотника за кометами» 1978 года — до целого флота

Пролистайте аппараты, для которых точка Лагранжа стала домом.