Ez a legösszetettebb feladat az emberiség számára, Minden tényezőt nem ismerünk ami befolyásolja z aszteroida mozgását a naprendszerbem. Mi az öt legfontosabb tényezőt vesszük figyelembe a számításaink során. Kell egy vonatkoztatási (inercia) rendszer, amelyben a mozgást vizsgáljuk.
A középiskolások, gimnazisták a Descartes-féle sík- és térbeli koordinátákkal találkoznak tanulmányaik során. Azért én egy új koordinátarendszert választok. Az általam választott koordinátarendszer alapsíkja a bolygó pályasíkja. A Csizmadia-féle rendszer tengelyei véges értékűek, nagyságrendben megegyeznek az ellipszispályák méreteivel. Rendszerem koordinátái: hosszúság: jele x, a nagytengely egyik végpontjától a másik vég-pontjáig terjed. Maximális értéke tehát x = 2a.
szélesség: jele y, hossza akkora mint a kistengely hossza. Maxi-mális értéke y = 2b.
Jellemző adatok továbbá az ún. pályaelemek, amik az aszteroida pályájának méretét és térbeli helyzetét jellemző adatait jelenti . Az ellipszispályák jellemzői: a pálya méretét és alakját megadja a fél nagytengely és a numerikus excentricitás: a és e.
A pálya térbeli helyzetét (a bolygó helyét) megadja a hosszúság és a szélesség nagysága. Ezek [x, y] rendezett valós számpárok. Az égitest mozgása során állandóan változnak, ezek a bolygó változói.
Kell még az időpont, amelyre a számításokat végezzük. Ennek és a bolygó napi mozgásának ismeretében bármely időpontra ki lehet számítani, hogy a bolygó a pálya melyik pontján tartózkodik, meghatározható a bolygó-Nap és a bolygó-bolygó távolság. A bolygó helyét a pályaegyenlet segítségével határozzuk meg. A pályagörbe nem abszolút, ha-nem relatív fogalom. Két különböző koordinátarendszerben a pályagörbe más és más. Nincs tehát „önmagában vett” pályagörbe (olyan görbe, amelyen a a test mozog), hanem csakis meghatározott testhez viszonyított pályagörbéről lehet beszélni. Ez tehát azt jelenti, hogy Kepler I. törvénye csak akkor van érvényben, ha a Napra vonatkoztatjuk. Ide kínálkozik tehát a relativitás elvének megfogalmazása: ha az m tömeg egy K koordinátarendszerben egyenes vonalban, egyenletesen mozog, akkor egyenes vonalú egyenletes mozgást végez egy olyan másik K´ rendszerhez viszonyítva is, amely maga is egyenletes haladó mozgásban van a K rendszerhez képest.
Ha a K´ koordinátarendszer a K-hoz képest egyenletesen és forgás nélkül mozog, úgy a természet eseményei a K´ rendszerhez viszonyítva ugyanazon általános törvények szerint folynak le, mint a K rendszerben. Az elmélet három axiómán épül fel, ezek egyike a relativitás elve. Ma az elvet inkább így szokás kifejezni: az ös-szes inerciarendszerek (amelyek egymáshoz képest mind egyenes vonalú, egyenletes mozgást végeznek) teljesen egyenértékűek. Tehát a természettörvények minden ilyen rendszerben egyformán hangzanak. Az általam választott koordinátarendszerben érvényes a tehetetlenség törvénye, mert a rendszer egyik pontjában a Nap áll. Rendszerem inerciális koordinátarendszer. Az inerciarendszer fogalmi meghatározása Lange német fizikustól ered.
A matematika és az idő a világegyetemben nem létezik, az ember alkotta fogalom a viszonyítást szolgálja. Einstein azt is állítja, hogy minden vonatkoztató testnek (koordinátarendszernek) megvan a saját külön ideje, az időadatnak csak akkor van értelme, ha a vonatkoztató testet is megadjuk, amelyre az időadatok vonatkoznak. Adódik tehát a kérdés: mekkorák valamely esemény x´, y´, z´, t´ értékei a K´ rendszerben, ha ugyanennek az eseménynek a K rendszerhez viszonyított x, y, z, t értékei adottak?
A köztük fennálló összefüggéseket úgy kell megválasztani, hogy a vákuumban való fényterjedés törvénye egy és ugyanarra a fénysugárra vagy minden fénysugárra a K´ és a K rendszerben érvényes.
Ha a koordinátarendszerek a 47. ábrán látható elrendezésben vannak, akkor a probléma megoldását a következő egyenletek adják.
Ezt az egyenletrendszert „Lorentz-transzformációnak” nevezik, ami kapcsolatot létesít két olyan inerciarendszer között, melynek x és x´ tengelyei összeesnek, y és y´ tengelyei párhuzamosak, és ugyanez áll fenn a z és z´tenge- lyekre is. A kölcsönös mozgás az xx´-> irányban történt v sebességgel. A transzformáció arra képesít bennünket, hogy kiszámíthassuk valamely esemény helyét és idejét a K´ rendszerben, feltéve, hogy helye és ideje a K rendszerben ismeretes. Matematikai fogalmazásban ezt így mondhatjuk: ha adva van x, y, z, t, a Lorentz-transzformáció segítségével kiszámíthatjuk x´, y´, z´, t´ értékeit. A Lorentz-transzformációt nem Einstein, hanem H. A. Lorentz vezette le még a relativitás felfedezése előtt. De ő még nem tudta megadni a transzformáció igazi értelmét. Nem tudta a kétféle időt – mint rendszeridőket – értelmezni, mert még az egységes világidőben hitt. Nézzük meg a bolygók pályaalakját a Nap vonzásterében. Ha egy égitest a Nap vonzáskörében mozog, mozgásának pályája nem lehet egyenes, mert a gravitáció hatására a pálya alakja a Nap felé görbül. Ha a test tovább folytatná útját egyenes irányban, folyton távolodna a Naptól. A vonzás miatt azonban állandóan esik a Nap felé. Az esés nagysága az első másodpercben ugyanannyi, mint a szabadesésben, vagyis az ott érvényes nehézségi gyorsulásnak a fele. Így alakul ki a vonzó test körül a görbe pálya, mely lehet zárt (kör, ellipszis) vagy nyitott (parabola, hiperbola). Görbült pályán viszont azonnal fellép a röpítő erő (centrifugális erő). Jól tudják ezt a motorosok, ha hirtelen fordulnak. Az égitestre mozgása során két erő hat, ún. vonzó erő és a röpítő erő. E két erő egymás ellen hat, ellenkező irányban, ere-dőjük nulla. A két erő tehát egyenlő egymással, vagyis
Itt a baloldalon a vonzóerő, jobboldalon a centrifugális erő kifejezése áll. A pályabeli sebességet v-vel jelöljük (velocitas - sebesség). Ez a kifejezés azt eredményezi, hogy a pálya alakja független a keringő test m tömegétől, hiszen m-mel egyszerűsíthető. Az egyszerűsítés után megkapjuk a sebesség négyzetét:
Csillagászati számításoknál az fM szorzat gyakran előfordul, értékét k-val jelölik. Értéke:
k = 1,337*1026 cm3/sec2
Ha a Föld pályabeli sebességét akarjuk kiszámítani, r helyébe 150 millió km értéket kell tenni, centiméterben kifejezve. A számítás eredményeként a Föld sebességére v = 29,8 km/sec értéket kapunk. Más bolygók esetében az eredmény más és más. A bolygók kerületi sebessége az r-től (görbületi sugaruktól) függ. Megfogalmazható tehát Kepler I. törvénye: A Nap inerciarendszerében a bolygók ellipszispályán mozognak, sebességük néha több, néha kevesebb. A Naphoz közeledve gyorsulnak, távolodva lassulnak.
A

érték átlagsebességnek értendő. Ezek után rátérhetünk a bolygópályák egyenleteit tárgyalni. Elsőnek a bolygópályák fokális egyenletét tárgyaljuk. Az x, y, t inerciarendszert úgy választjuk meg, hogy alapsíkja a bolygó pá-lyasíkja legyen. Az így megválasztott koordinátarendszer -c irá-nyú transzformációval jött létre, ahol c a bolygópálya lineáris excentricitása (a Napnak az ellipszis középpontjától vett távolsága). Az alkalmazott koordinátarendszert a 48. ábra szemlélteti.
A rendszer kezdőpontja a Nap (a pálya egyik gyújtópontja), x tengelye a fókuszt tartalmazó ellipszistengely, y tengelye pedig a kezdőponton áthaladó, x-re merőleges húr egyenese. E húr fele az ún. paraméter.
1. tétel: A bolygópályák egyenlete felírható
alakban, ahol p az ellipszis paramétere, e = c/a a numerikus excentricitás, [x, y] rendezett változók a bolygó koordinátái.
Bizonyítás: A gimnáziumi tanulmányainkból tudjuk, hogy az el-lipszis kanonikus egyenlete
Ebből y2-t kifejezve kapjuk:
A -c irányú transzformációt figyelembe véve, írhatjuk:
Ebből az ellipszis adataira érvényes összefüggéseket alkalmazva ezt az eredményt kapjuk. A behelyettesítés után kiszámíthatóak az attributumok.
A bolygó pályájának kiszámításához leggyakrabban a Kepler-törvényeket és a bolygó pályaelemeket használjuk, amelyek jellemzik a pálya méretét, alakját és térbeli helyzetét. Egy program a bolygó pályáját az ellipszis egyenletével, a pálya fél nagytengelye (a), excentricitása (e), valamint az idő függvényében kiszámított helyzet alapján tudja meghatározni.
Most írok egy egyszerű Python programot, amely a Kepler-pálya modelljét követve meghatározza egy bolygó pozícióját egy adott időpontban az ellipszis pályán. A program bemeneti paramétereként várja a fél nagytengelyt (a), excentricitást (e), és az adott időpontot (t), majd kiszámítja a bolygó pozícióját (x, y) a pályán. A számítások során használhatjuk a Kepler egyenletének numerikus megoldását is.
Íme a Python program:
```python
import math
def kepler_equation(E, M, e, tolerance=1e-6):
"""Kepler-egyenlet numerikus megoldása (E - excentrikus anomália) Newton-módszerrel"""
while True:
delta = E - e * math.sin(E) - M
if abs(delta) < tolerance:
break
E = E - delta / (1 - e * math.cos(E))
return E
def bolygo_palya(a, e, T, t):
"""
Számolja bolygó pályájának (x, y) koordinátáit ellipszis pályán.
a: fél nagytengely (pl. csillagászati egységben AU)
e: excentricitás (0 < e < 1)
T: pályahossz (keringési idő, pl. évben)
t: az eltelt idő a keringés kezdetétől (pl. évben)
"""
# Központi szög (mean anomaly)
M = 2 * math.pi * (t / T)
E = kepler_equation(M, M, e) # Kepler-egyenlet megoldása
# Bolygó pozíciója a pályán (fókusz a Nap)
x = a * (math.cos(E) - e)
y = a * math.sqrt(1 - e**2) * math.sin(E)
return x, y
Példa paraméterek (Föld körüli pálya AU-ban, évben)
a = 1.0 # Fél nagytengely AU
e = 0.0167 # Föld excentricitása
T = 1.0 # Keringési idő évben
Számítás egy adott időpontra (pl. fél év)
t = 0.5
x, y = bolygo_palya(a, e, T, t)
print(f"Bolygó pozíciója x={x:.4f} AU, y={y:.4f} AU időben t={t} év")
Ez a program az ellipszis pályán mozgó bolygó helyzetét adja meg az idő függvényében a Kepler-egyenlet numerikus megoldásával. A bemenet lehet bármely bolygó pályaadata és t idő. Az eredmény a kozmikus egységben (AU) megadott koordinátapár.
Ha pontosabb vagy térbeli (3D) pályát szeretnénk, akkor a pályaelemek (inkláció, perihélium, leszálló csomópont hossza) is beépíthetők az egyenletünkbe.
Forrás;
https://kutrov.web.elte.hu/oktanyag/csilltort2/07_%2018szazad_egimecha.pdf
http://egimechanika.szm.com/bolygokpalyaegyenlete.html
http://csabai.web.elte.hu/http/szamszim/bolygo.pdf
https://www.kfki.hu/~elftaisk/tanitas/19._A_bolygok.pdf
https://www.karinthy.hu/home/grofandrea/csillagaszat3.pdf
https://mek.oszk.hu/04800/04800/04800.pdf