Рассмотрим взаимодействия эллиптической и круговых частиц в новой системе. Как
изменяется в результате ударов новая удельная энергия
?
Это зависит от среднего орбитального радиуса частиц. Если орбиты частиц
расположены внутри критической орбиты, то в новой системе эти частицы обращаются
в прежнем направлении. В этом случае новая энергия, как и старая, увеличивается
в результате взаимодействия в афелии и уменьшается в перигелии. Для «внешних»
частиц, траектории которых не проходят внутри критической орбиты, ситуация
противоположная. То, что в инерциальной системе в афелии эллиптические частицы
отстают от круговых, означает, что во вращающейся системе они их опережают
(ведь во вращающейся системе их движение обратное – не против, а по часовой
стрелке). Следовательно, в афелии внешние эллиптические частицы теряют энергию
,
а в перигелии приобретают ее. Оба случая, как внешних, так и внутренних частиц,
можно объединить единой формулировкой: при столкновении частицы с пылинкой в
точке эллиптической орбиты, ближайшей к критической круговой орбите радиуса
энергия
частицы
увеличивается, а при столкновении в наиболее удаленной от этой критической
орбиты точке – уменьшается.
Перейдем к движению частицы μ в поле гравитации двух тел – центрального тела М и
его спутника, массу которого обозначим
m.
Задача о движении трех тел произвольных масс М,
m,
μ, называемая задачей трех тел из-за ее сложности не решена до сих пор. Однако,
мы не собираемся решать ее в общем виде, а ограничимся качественным
рассмотрением наипростейшего случая. Во-первых, массу частицы μ считаем
пренебрежимо малой не только относительно центрального тела М, но и относительно
спутника
m (μ «
m).
Это так называемая ограниченная задача трех тел, в которой требуется найти
траекторию частицы μ, когда движения тел М и
m
известны. Упростим задачу до предела. Считаем массу спутника малой относительно
массы центрального тела (m
« М), а следовательно, тело М неподвижным. Кроме того, считаем, что спутник
m
движется вокруг центрального тела по круговой орбите радиуса
R,
лежащей в плоскости движения частицы μ. Предположения о малости массы спутника
и о его круговой орбите оправданы, поскольку массы Юпитера и Титана составляют ≈
0,001 масс Солнца и Сатурна, а эксцентриситеты (степень вытянутости) их орбит
также невелики. Считаем также, что частица μ не приближается к орбите спутника
m
слишком близко. При этих допущениях можно считать, что частица движется по
эллипсу, параметры которого, в том числе большая ось – а, период – Т, энергия -
Е, момент импульса –
L
уже не постоянны, а медленно изменяются под действием силы гравитации спутника
таким образом, что изменение параметров эллипса за один период обращения
незначительно. Энергия – Е в инерциальной системе не станет постоянной
величиной, если даже к ней добавить энергию гравитации спутника =
,
где r΄
- расстояние от частицы до спутника. Но в неинерциальной системе, вращающейся
вокруг М с угловой скоростью
-
угловой скоростью обращения спутника
m,
в которой неподвижны как центральное тело М, так и его спутник
m
, энергия
станет
постоянной после добавления гравитационной энергии частицы в поле спутника
Учитывая, что частица μ не приближается к телу
m
слишком близко, пренебрежем членом
и
оставим для энергии во вращающейся системе прежнее выражение
При этом будет справедлива и формула (*)= Е – ωL, но в ней Е и L будут уже не постоянными, а медленно меняющимися величинами.