_2010_SO16_orbit.gif/1280px-Animation_of_(419624)_2010_SO16_orbit.gif)
В небесной механике подковообразная орбита — это тип соорбитального движения малого тела относительно большего тела. Соприкасающийся (мгновенный) орбитальный период меньшего тела остается очень близким к периоду большего тела, и если его орбита немного более эксцентрична, чем у большего тела, в течение каждого периода кажется, что оно очерчивает эллипс вокруг точки на орбите . орбита большего объекта. Однако петля не замыкается, а смещается вперед или назад, так что точка, которую она окружает, будет казаться плавно движущейся по орбите большего тела в течение длительного периода времени. Когда объект приближается к более крупному телу на любом конце своей траектории, его видимое направление меняется. На протяжении всего цикла центр повторяет контур подковы с большим телом между «рогами».
Астероиды на подковообразных орбитах относительно Земли включают 54509 YORP , 2002 AA 29 , 2010 SO 16 , 2015 SO 2 и, возможно, 2001 GO 2 . Более широкое определение включает 3753 Cruithne , о котором можно сказать, что он находится на составной и/или переходной орбите, [1] или (85770) 1998 UP 1 и 2003 YN 107 . К 2016 году было обнаружено 12 подковообразных либраторов Земли. [2]
Спутники Сатурна Эпиметей и Янус занимают подковообразные орбиты относительно друг друга (в их случае повторного витка нет: каждый очерчивает полную подкову относительно другого).
Следующее объяснение относится к астероиду, который находится на такой орбите вокруг Солнца и на него также влияет Земля.
Астероид находится практически на той же солнечной орбите, что и Земля. Оба совершают оборот вокруг Солнца примерно за один год.
Также необходимо усвоить два правила орбитальной динамики:
Подковообразная орбита возникает потому, что гравитационное притяжение Земли изменяет форму эллиптической орбиты астероида. Изменения формы очень малы, но приводят к значительным изменениям относительно Земли.
Подкова становится очевидной только при картировании движения астероида относительно Солнца и Земли. Астероид всегда вращается вокруг Солнца в одном и том же направлении. Однако он проходит цикл догонения Земли и отставания, так что его движение относительно Солнца и Земли имеет форму, подобную очертанию подковы.
Начиная с точки А, на внутреннем кольце между L 5 и Землей, спутник движется по орбите быстрее Земли и движется к прохождению между Землей и Солнцем. Но гравитация Земли оказывает направленную наружу ускоряющую силу, вытягивая спутник на более высокую орбиту, что (согласно третьему закону Кеплера ) уменьшает его угловую скорость.
Когда спутник достигает точки Б, он движется с той же скоростью, что и Земля. Гравитация Земли все еще ускоряет спутник на орбитальной траектории и продолжает тянуть спутник на более высокую орбиту. В конце концов, в точке С спутник выходит на достаточно высокую и медленную орбиту, так что начинает отставать от Земли. Затем он проводит следующее столетие или больше, как будто дрейфуя «назад» по орбите, если смотреть относительно Земли. Его орбита вокруг Солнца по-прежнему занимает немногим больше одного земного года. Если пройдёт достаточно времени, Земля и спутник окажутся на противоположных сторонах Солнца.
В конце концов спутник приближается к точке D, где гравитация Земли снижает орбитальную скорость спутника. Это приводит к его падению на более низкую орбиту, что фактически увеличивает угловую скорость спутника вокруг Солнца. Это продолжается до точки E, где орбита спутника теперь ниже и быстрее орбиты Земли , и он начинает двигаться впереди Земли. В течение следующих нескольких столетий он завершает свой путь обратно в точку А.
В долгосрочной перспективе астероиды могут переходить с подковообразных орбит на квазиспутниковые орбиты. Квазиспутники не связаны гравитацией со своей планетой, но, кажется, вращаются вокруг нее в ретроградном направлении, поскольку они вращаются вокруг Солнца с тем же периодом обращения, что и планета. К 2016 году орбитальные расчеты показали, что четыре подковообразных либратора Земли и все пять ее известных тогда квазиспутников неоднократно переходят между подковообразными и квазиспутниковыми орбитами. [3]
Несколько иной, но эквивалентный взгляд на ситуацию можно отметить, рассматривая вопрос сохранения энергии . Это теорема классической механики, согласно которой тело, движущееся в независимом от времени потенциальном поле, будет иметь сохраняющуюся полную энергию E = T + V , где E — полная энергия, T — кинетическая энергия (всегда неотрицательная) и V потенциальная энергия, которая отрицательна. Тогда очевидно, что, поскольку V = -GM/R вблизи гравитирующего тела массы M и радиуса орбиты R , если смотреть из неподвижной системы отсчета, V будет увеличиваться для области за M и уменьшаться для области перед ним. . Однако орбиты с более низкой полной энергией имеют более короткие периоды, и поэтому тело, медленно движущееся по передней стороне планеты, потеряет энергию, попадет на орбиту с более коротким периодом и, таким образом, будет медленно удаляться или «отталкиваться» от нее. Тела, медленно движущиеся на задней стороне планеты, наберут энергию, поднимутся на более высокую, более медленную орбиту и, таким образом, отстанут, отталкиваясь таким же образом. Таким образом, небольшое тело может перемещаться вперед и назад между лидирующим и отстающим положением, никогда не приближаясь слишком близко к планете, которая доминирует в регионе.
На рисунке 1 выше показаны более короткие орбиты вокруг точек Лагранжа L 4 и L 5 (например, линии, близкие к синим треугольникам). Они называются орбитами головастиков и могут быть объяснены аналогичным образом, за исключением того, что расстояние астероида от Земли не колеблется до точки L 3 на другой стороне Солнца. По мере того, как он приближается к Земле или удаляется от нее, изменяющееся притяжение гравитационного поля Земли заставляет его ускоряться или замедляться, вызывая изменение его орбиты, известное как либрация .
Примером орбиты головастика является Полидевк , небольшой спутник Сатурна , который вращается вокруг задней точки L5 относительно более крупного спутника , Дионы . По отношению к орбите Земли астероид 2010 TK 7 диаметром 300 метров (980 футов) находится на орбите головастика вокруг ведущей точки L 4 .2020 VT1 движется по временной подковообразной орбите относительно Марса . [4]
