معادلة المدار

In astrodynamics, an orbit equation defines the path of orbiting body خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle m_2\,\!} around central body خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle m_1\,\!} relative to خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle m_1\,\!} , without specifying position as a function of time. Under standard assumptions, a body moving under the influence of a force, directed to a central body, with a magnitude inversely proportional to the square of the distance (such as gravity), has an orbit that is a conic section (i.e. circular orbit, elliptic orbit, parabolic trajectory, hyperbolic trajectory, or radial trajectory) with the central body located at one of the two foci, or the focus (Kepler's first law).

If the conic section intersects the central body, then the actual trajectory can only be the part above the surface, but for that part the orbit equation and many related formulas still apply, as long as it is a freefall (situation of weightlessness).

 Central, inverse-square law force

Consider a two-body system consisting of a central body of mass M and a much smaller, orbiting body of mass خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle m} , and suppose the two bodies interact via a central, inverse-square law force (such as gravitation). In polar coordinates, the orbit equation can be written as خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r = \frac{\ell^2}{m^2\mu}\frac{1}{1+e\cos\theta}} where

• خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r} is the separation distance between the two bodies and
• خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \theta} is the angle that خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbf{r}} makes with the axis of periapsis (also called the true anomaly).
• The parameter خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ell} is the angular momentum of the orbiting body about the central body, and is equal to خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle mr^2\dot{\theta}} , or the mass multiplied by the magnitude of the cross product of the relative position and velocity vectors of the two bodies.
• The parameter خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mu} is the constant for which خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mu/r^2} equals the acceleration of the smaller body (for gravitation, خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mu} is the standard gravitational parameter, خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle -GM} ). For a given orbit, the larger خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mu} , the faster the orbiting body moves in it: twice as fast if the attraction is four times as strong.
• The parameter خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle e} is the eccentricity of the orbit, and is given by

  خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle e = \sqrt{1+\frac{2E\ell^2}{m^3\mu^2}}}

• where خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle E} is the energy of the orbit.

The above relation between خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \theta} describes a conic section. The value of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle e} controls what kind of conic section the orbit is:

• when خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle e<1} , the orbit is elliptic (circles are ellipses with خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle e=0} );
• when خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle e=1} , the orbit is parabolic;
• when خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle e>1} , the orbit is hyperbolic.

The minimum value of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r} in the equation is: خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r={{\ell^2}\over{m^2\mu}}{{1}\over{1+e}}} while, if $e<1$, the maximum value is: خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r={{\ell^2}\over{m^2\mu}}{{1}\over{1-e}}}

If the maximum is less than the radius of the central body, then the conic section is an ellipse which is fully inside the central body and no part of it is a possible trajectory. If the maximum is more, but the minimum is less than the radius, part of the trajectory is possible:

• if the energy is non-negative (parabolic or hyperbolic orbit): the motion is either away from the central body, or towards it.
• if the energy is negative: the motion can be first away from the central body, up to خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r={{\ell^2}\over{m^2\mu}}{{1}\over{1-e}}} after which the object falls back.

If خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r} becomes such that the orbiting body enters an atmosphere, then the standard assumptions no longer apply, as in atmospheric reentry.

 Low-energy trajectories

If the central body is the Earth, and the energy is only slightly larger than the potential energy at the surface of the Earth, then the orbit is elliptic with eccentricity close to 1 and one end of the ellipse just beyond the center of the Earth, and the other end just above the surface. Only a small part of the ellipse is applicable.

If the horizontal speed is خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v\,\!} , then the periapsis distance is خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{v^2}{2g}} . The energy at the surface of the Earth corresponds to that of an elliptic orbit with خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a=R/2\,\!} (with خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle R\,\!} the radius of the Earth), which can not actually exist because it is an ellipse fully below the surface. The energy increase with increase of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a} is at a rate خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 2g\,\!} . The maximum height above the surface of the orbit is the length of the ellipse, minus خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle R\,\!} , minus the part "below" the center of the Earth, hence twice the increase of خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a\,\!} minus the periapsis distance. At the topقالب:Of what the potential energy is خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g} times this height, and the kinetic energy is خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{v^2}{2}} . This adds up to the energy increase just mentioned. The width of the ellipse is 19 minutes times خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v\,\!} .

The part of the ellipse above the surface can be approximated by a part of a parabola, which is obtained in a model where gravity is assumed constant. This should be distinguished from the parabolic orbit in the sense of astrodynamics, where the velocity is the escape velocity.

See also trajectory.

 Categorization of orbits

Consider orbits which are at one point horizontal, near the surface of the Earth. For increasing speeds at this point the orbits are subsequently:

• part of an ellipse with vertical major axis, with the center of the Earth as the far focus (throwing a stone, sub-orbital spaceflight, ballistic missile)
• a circle just above the surface of the Earth (Low Earth orbit)
• an ellipse with vertical major axis, with the center of the Earth as the near focus
• a parabola
• a hyperbola

Note that in the sequence above, خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle h} , خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \epsilon} and خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a} increase monotonically, but خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle e} first decreases from 1 to 0, then increases from 0 to infinity. The reversal is when the center of the Earth changes from being the far focus to being the near focus (the other focus starts near the surface and passes the center of the Earth). We have

خطأ رياضيات (اعرض بصيغة MathML إن أمكن (تحت التجريب): رد غير صحيح ("Math extension cannot connect to Restbase.") من الخادم "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle e=\left | \frac{R}{a}-1\right |}

Extending this to orbits which are horizontal at another height, and orbits of which the extrapolation is horizontal below the surface of the Earth, we get a categorization of all orbits, except the radial trajectories, for which, by the way, the orbit equation can not be used. In this categorization ellipses are considered twice, so for ellipses with both sides above the surface one can restrict oneself to taking the side which is lower as the reference side, while for ellipses of which only one side is above the surface, taking that side.

 See also

• Kepler's first law
• Circular orbit
• Elliptic orbit
• Parabolic trajectory
• Hyperbolic trajectory
• Tsiolkovsky rocket equation
• Orbital speed
• Escape velocity
• Celestial mechanics