Gravitation `a N corps
Matthieu Schaller
matthieu.schaller@epfl.ch
2 d´ecembre 2007
Table des mati`eres
1 Introduction 2
2 Syst`eme double 2
2.1 Conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Orbitedescorps.......................... 3
2.3 Simulation du syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.4 Convergence du scema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.5 Pas de temps adaptatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Ast´ero¨ıde au point de Lagrange 8
3.1 Conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 Conditions initiales de l’ast´ero¨ıde . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.3 Perturbation des conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Conclusion 15
1
1 INTRODUCTION 2
1 Introduction
Lorsqu’on d´ebute en physique, on commence le plus souvent par l’´etude
de la m´ecanique. On apprend vite les lois de Newton ainsi que la loi de la
gravitation que l’on applique aux probl`emes de corps c´elestes en rotation.
Par exemple le syst`eme terre-lune ou terre-soleil. Ce probl`eme en apparence
tr`es simple est pourtant bien plus difficile qu’il n’y paraˆıt. En effet, si l’on
consid`ere un syst`eme `a 3 corps, il n’y a plus de solution analytique aux
´equations du mouvement. Il est alors impossible de pr´evoir la trajectoire
des corps par l’analyse. Il est donc impossible de pr´evoir l’´evolution exacte
du syst`eme solaire puisqu’il faut tenir compte de 10 corps (au moins) pour
obtenir les ´equations du mouvement.
Pour tenter de comprendre la trajectoire d’un tel mouvement, il faut utiliser
une simulation num´erique. C’est ce que nous allons faire dans cette ´etude.
Dans un premier temps, nous allons analyser un syst`eme double afin de
v´erifier la validit´e du sch´ema en comparant les r´esultats obtenus avec ceux
que l’on obtient par l’analyse. Dans un deuxi`eme temps, nous allons observer
l’´evolution d’un ast´ero¨ıde plac´e `a un des points de Lagrange du syst`eme
terre-lune.
2 Syst`eme double
On consid`ere un syst`eme constitu´e de deux plan`etes de masse m1 et m2
qui interagissent uniquement gravitationellement.
2.1 Conditions initiales
Le choix d’un bon r´ef´erentiel pour ce probl`eme est primordial. On sait
que le centre de masse du syst`eme n’est pas acc´el´er´e puisqu’il ne subit aucune
force externe ; il est donc en translation rectiligne `a vitesse constante. On peut
donc choisir un r´ef´erentiel li´e au centre de masse sans avoir de probl`eme. Ce
sera un r´ef´erentiel d’inertie.
On suppose connue la position et la vitesse initiale du premier corps : ~x1(0)
respectivement ~v1(0). Dans ces conditions, il faut calculer la position et la
vitesse initiale du 2`eme corps de telle sorte que leur trajectoire soit une ellipse
(dans le r´ef´erentiel du centre de masse). Cette situation est repr´esent´ee sur
l’image 1.
La position du centre de masse du syst`eme est donn´ee par :
Pimi~xi
Pimi
=m1~x1+m2~x2
m1+m2
=~xG(1)
2 SYST `
EME DOUBLE 3
Fig. 1 – Le syst`eme dans le r´ef´erentiel du centre de masse
Comme dans le r´ef´erentiel que nous utilisons, nous avons ~xG=~
0, on tire de
la relation pr´ec´edente :
~x2=m1
m2
~x1(2)
De mˆeme si on cherche `a calculer la quantit´e de mouvement du centre de
masse, on obtient la relation :
Pimi~vi
Pimi
=m1~v1+m2~v2
m1+m2
=~vG(3)
Et comme on se trouve dans un r´ef´rentiel li´e au centre de masse, on a ~vG=~
0,
ce qui nous donne une relation pour les vitesses :
~v2=m1
m2
~v1(4)
Les relations 2 et 4 permettent ainsi le calcul des conditions initiales du
deuxi`eme corps.
2.2 Orbite des corps
Pour caract´eriser pleinement une ellipse, il faut connaˆıtre par exemple
son grand axe et un de ses foyers. Dans le cas qui nous int´eresse, la position
du foyer est connue puisqu’il sagit du centre de masse du syst`eme.(1 ˜
A¨re
loi de Kepler). Il ne nous reste plus qu’`a calculer le grand-axe pour pouvoir
connaˆıtre pr´ecis´ement la trajectoire des corps.
En utilisant le fait que l’´eergie m´ecanique totale du syst`eme est conserv´ee
ainsi que les moments cin´etiques de chaqu’une des deux plan`etes, on obtient
les relations suivantes :
v1max =G2m2
1 + m1
m22
x1(0)v10
+v1(0) (5)
2 SYST `
EME DOUBLE 4
o`u Gest la constante de la gravitation universelle. On obtient ´egalement la
position «maximale », c’est-`a-dire la plus grande distance entre le centre de
masse et la plan`ete.
x1max =x1(0)v1(0)
v1max
(6)
2.3 Simulation du syst`eme
Pour tester la validit´e du sch´ema num´erique, nous allons essayer d’obtenir
une trajectoire correspondant aux calculs faits dans la section pr´ec´edente. Les
conditions initiales propos´ees sont r´esum´ees dans le tableau 2.3
Nom Symbole Valeur
Masse de la terre m15.9736 ·1024 kg
Masse de la lune m21.9912 ·1024 kg
Position initiale de la terre xx
1(0) 108m
Position initiale de la terre xy
1(0) 0 m
Vitesse initiale de la terre vx
1(0) 0 m/s
Vitesse initiale de la terre vy
1(0) 390 m/s
Fig. 2 – Conditions initiales
En utilisant les relations calcul´ees plus haut ainsi que la d´efinition de
l’´energie m´ecanique, on trouve les valeurs repr´esent´ees dans le tableau 2.3.
Nom Symbole Valeur
Position initiale de la lune xx
2(0) 3 ·108m
Position initiale de la lune xy
2(0) 0 m
Vitesse initiale de la lune vx
2(0) 0 m/s
Vitesse initiale de la lune vy
2(0) 1170 m/s
En´ergie m´ecanique totale Emec 1.6626 ·1029 J
Distance maximale entre les 2 corps dmax 4.3719 ·109m
Fig. 3 – Conditions initiales calcul´ees
Pour tester le sch´ema, nous allons utiliser les conditions initiales calcul´ees
et essayer d’obtenir les valeurs exactes de la distance maximale et de l’´energie
m´ecanique. Comme nous utilisons un algorithme de Runge-Kutta d’ordre 4,
nous devrions obtenir une convergence en ∆t4pour ces 2 valeurs.
En r´ealisant une premi`ere simulation avec un pas de temps fixe de 1000000 s
(environ 1.1 jours) et un temps final de 108s(environ 3 ans), on obtient la
figure 4.
2 SYST `
EME DOUBLE 5
Fig. 4 – Evolution du syst`eme sur 3 ans avec un pas de temps d’environ 1
jour
On observe que la trajectoire des deux plan`etes est bien elliptique 1. Le
centre de gravit´e (en rose sur la figure) ne se d´eplace pas, comme pr´evu.
Cependant si l’on refait la mˆeme simulation avec un temps final plus long,
par exemple 109s(soit environ 30 ans), on obtient le graphique 5
On constate que l’orbite r´etr´ecit avec le temps, ce qui ne correspond pas
du tout `a la r´ealit´e physique. Ce sch´ema n’est donc correct que pour certains
pas de temps assez petit. Il est donc int´eressant de savoir si le scema converge
correctement si l’on diminue le pas de temps.
2.4 Convergence du sch´ema
La premi`ere grandeur que l’on peut tester est l’´energie m´ecanique du
syst`eme. En effet, elle doit ˆetre parfaitement conserv´ee tout au long de
l’´evolution du syst`eme. Si l’on choisit de repr´esenter la diff´erence entre l’´energie
m´ecanique calcul´ee plus haut et la valeur obtenue par le scema au temps
final tfinal = 3 ·108sen fonction du pas de temps, on obtient le graphique 6.
On constate d’une part que l’´energie converge vers la valeur analytique
si le pas de temps diminue. On peut mˆeme constater que la convergence est
1Les unit´es du graphique sont en m`etres sur les 2 axes. Ce sera la mˆeme chose dans le
reste du document sauf indication contraire. Ceci pour ´eviter une certaine lourdeur, car
c’est principalement le r´esultat qualitatif qui nous ineresse pour ces repr´esentations de
trajectoires
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