1 \documentclass{article
}
2 \usepackage[a4paper,margin=
2cm
]{geometry
}
3 \usepackage[latin1]{inputenc}
4 \usepackage{pstricks-add,pst-eucl,pst-func
}
5 \usepackage{array,amsmath
}
6 \newpsstyle{vecteurA
}{arrowinset=
0.05,arrowsize=
0.125,linecolor=
{[rgb
]{1 0.5 0}}}
7 \newpsstyle{vecteurB
}{arrowinset=
0.05,arrowsize=
0.1,linecolor=
{[rgb
]{0 0.5 1}}}
8 \newpsstyle{vecteurC
}{arrowinset=
0.1,arrowsize=
0.2,linecolor=
{[rgb
]{1 0.5 0}}}
10 \title{Interaction gravitationnelle avec PSTricks
}
15 y
[2]|y
[3]|-GM*y
[0]/((sqrt(y
[0]^
2+y
[1]^
2))^
3)|-GM*y
[1]/((sqrt(y
[0]^
2+y
[1]^
2))^
3)
}%
16 \section{Mise en orbite d'un satellite
}
20 \begin{pspicture
}(-
6,-
2)(
2,
5)
25 /x0 r0 theta0 cos mul def
26 /y0 r0 theta0 sin mul def
28 /v0x v0 theta0 sin mul neg def
29 /v0y v0 theta0 cos mul def
30 /Lc r0 v0 mul def
% moment cinetique
31 /par Lc dup mul GM div def
% paramètre de l'ellipse
33 /exc
1 0.5 v0
4 exp mul r0 dup mul mul GM r0 mul v0 dup mul mul sub GM dup mul div
2 mul add sqrt def
35 /a_2 par
1 exc dup mul sub div def
% demi-grand axe
36 /b_2 par
1 exc dup mul sub sqrt div def
% demi-petit axe
37 /periode
2 3.1416 mul a_2
3 exp GM div sqrt mul def
39 /vA GM par div sqrt
1 exc sub mul def
41 /vP GM par div sqrt
1 exc add mul def
43 /vAx vA theta0
90 add cos mul neg def
44 /vAy vA theta0
90 add sin mul neg def
46 /vPx vP theta0
90 add cos mul def
47 /vPy vP theta0
90 add sin mul def
49 /xA par
1 exc sub div theta0 cos mul neg def
50 /yA par
1 exc sub div theta0 sin mul neg def
52 /xP par
1 exc add div theta0 cos mul def
53 /yP par
1 exc add div theta0 sin mul def
55 /xO xP xA add
2 div def
56 /yO yP yA add
2 div def
58 \pscircle[fillcolor=gray!
70,fillstyle=solid
](
0,
0)
{0.3}
59 \psdot[dotstyle=+
](
0,
0)
61 \psgrid[subgriddiv=
2,gridcolor=lightgray,gridlabels=
8pt
](-
6,-
2)(
2,
5)
62 \rput(
1,
4)
{\psframebox[linestyle=none,fillstyle=solid,fillcolor=white
]{T=
\psPrintValue[decimals=
2]{periode
}\hphantom{0000}s
}}
63 \parametricplot[linecolor=red,plotpoints=
360]{0}{360}{/radius par
1 exc t theta0 sub cos mul add div def
66 \pscircle*(!x0 y0)
{0.05}
67 \pnode(!xP yP)
{P
} % périgée
68 \pnode(!xA yA)
{A
} % Apogée
69 \pnode(!xO yO)
{O
} % centre
70 \rput(!x0 y0)
{\psline[style=vecteurB
]{->
}(!v0x v0y)
\uput[ur
](!v0x v0y)
{$
\overrightarrow{v_0
}$
}}
71 \psline[linestyle=dashed
](A)(P)
75 % position du satellite à un instant quelconque
76 \pstVerb{/theta_i
170 def
77 /radius par
1 exc theta_i theta0 sub cos mul add div def
78 /xS radius theta_i cos mul def
79 /yS radius theta_i sin mul def
80 /ux theta_i cos
1 mul def
81 /uy theta_i sin
1 mul def
84 /xi2 xS ux
2 div sub def
85 /yi2 yS uy
2 div sub def
}%
90 \psline[linestyle=dotted
](S)(
0,
0)
91 \psline[style=vecteurA
]{->
}(S)(Mi)
93 \uput[u
](Mi2)
{$
\overrightarrow{F
}$
}
94 \psarcn{->
}(
0,
0)
{0.4}{0}{!theta0
}
95 \uput{0.5}[!theta0
2 div
](
0,
0)
{$
\theta_0$
}
96 \rput(A)
{\psline[style=vecteurB
]{->
}(!vAx vAy)
}
97 %\rput(P){\psline[style=vecteurB]{->}(!vPx vPy)}
98 \psline[arrowinset=
0.05,arrowsize=
0.1]{<->
}(
2,
0)(
0,
0)(
0,
5)
99 \uput[r
](
0,
4.9)
{$y$
}\uput[u
](
1.9,
0)
{$x$
}
100 \psdot(O)
\uput[r
](O)
{$
\Omega$
}
101 \rput{!
90 theta0 add
}(O)
{\psline[linestyle=dashed
](!b_2 neg
0)(!b_2
0)
}
103 \caption{Mouvement d'un satellite
}
106 Soit (M) la masse de l'astre et (m) celle du satellite avec $m
\ll M$. Le centre de masse du système \
{M,m\
} est confondu avec le centre de l'astre attracteur. La mise en orbite s'effectue à partir du point $M_0(x_0,y_0)$ avec une vitesse $
\overrightarrow{v_0
}(v_
{0_x
},v_
{0_x
})$. $
\theta_0$ est l'angle que fait $
\overrightarrow{Ox
}$ avec $
\overrightarrow{OM_0
}$. Le satellite (S), supposé ponctuel, subit de la part de l'astre une force d'attraction gravitationnelle :
108 \overrightarrow{F
}=-
\mathcal{G
}\frac{Mm
}{r^
2}\overrightarrow{u
}\qquad \text{avec
}\quad \overrightarrow{u
}=
\frac{\overrightarrow{r
}}{r
}\quad \text{et
}\quad \overrightarrow{r
}=
\overrightarrow{OS
}
110 Tous les
\textit{bons
} livres de mécanique
\footnote{Comme celui, par exemple, de José-Philippe Pérez, aux éditions Masson.
} établissent les relations suivantes :
112 r=
\frac{p
}{1+
\mathrm{e
}\cos(
\theta-
\theta_0)
}
114 Paramètres et excentricité ont pour expressions respectives, avec les notations suivantes : $K=
\mathcal{G
}Mm$, $
\mathcal{E
}$ l'énergie du système et $L$ le moment cinétique.
116 \mathrm{e
}=
\sqrt{1+
\frac{2\mathcal{E
}L^
2}{mK^
2}}\qquad p=
\frac{L^
2}{mK
}
118 On choisit une vitesse initiale $
\overrightarrow{v_0
}$ perpendiculaire à $
\overrightarrow{OM_0
}$, dans ces conditions le moment cinétique et l'énergie, qui restent constants, valent :
120 L=mr_0v_0
\qquad \mathcal{E
}=-
\frac{K
}{r_0
}+
\frac{1}{2}mv_0^
2
122 En remplaçant $L$ et $
\mathcal{E
}$, on obtient pour l'excentricité et le paramètre les expressions suivantes :
124 \mathrm{e
}=
\sqrt{1+
\frac{1}{\mathcal{G
}^
2M^
2}\Big(
\frac{1}{2}v_0^
4r_0^
2-
\mathcal{G
}Mr_0v_0^
2\Big)
}
127 p=
\frac{v_0^
2r_0^
2}{\mathcal{G
}M
}
129 On se limite au cas du mouvement elliptique, avec, en conséquence, la condition :
131 \mathcal{E
}=-
\frac{K
}{r_0
}+
\frac{1}{2}mv_0^
2 <
0
133 Le demi-grand axe $a$, le demi-petit axe $b$ sont :
135 a=
\frac{p
}{1-
\mathrm{e
}^
2}\qquad b=
\frac{p
}{\sqrt{1-
\mathrm{e
}^
2}}
137 La période $T$ qui obéit à la troisième loi de Képler :
139 T^
2=
\frac{4\pi^
2a^
3}{\mathcal{G
}M
}
141 La vitesse, en un point de l'ellipse, se calcule par :
143 v^
2=
\mathcal{G
}M
\Big(
\frac{2}{r
}-
\frac{1}{a
}\Big)
145 Sachant que $r_p=
\dfrac{p
}{1+
\mathrm{e
}}$ et $r_A=
\dfrac{p
}{1-
\mathrm{e
}}$, on en déduit les vitesses au périgée et à l'apogée :
147 v_P=
\sqrt{\frac{\mathcal{G
}M
}{p
}}(
1+
\mathrm{e
})
\qquad v_A=
\sqrt{\frac{\mathcal{G
}M
}{p
}}(
1-
\mathrm{e
})
150 \section{L'étude avec PSTricks
}
151 \subsection{La trajectoire
}
153 /GM
1 def
% 4e14 def % GxM
154 /x0
6.5e6 def
% position initiale
156 /vx0
0 def
% vitesse initiale
160 % y[0] y[1] y[2] y[3]
164 \ddot{x
}&=&-
\dfrac{GM
}{r^
3}x\\
[1em
]
165 \ddot{y
}&=&-
\dfrac{GM
}{r^
3}y\\
169 \qquad r=
\sqrt{x^
2+y^
2}
172 On peut dessiner la trajectoire du satellite et de ses caractéristiques de deux façons :
174 \item par l'utilisation de
\verb+
\parametricplot+ ;
175 \item ou celle de
\verb+
\psplotDiffEqn+.
177 \verb+
\parametricplot+ utilise l'expression exacte de l'équation de la trajectoire en coordonnées polaires :
179 \parametricplot[linecolor=red,unit=
2,plotpoints=
360]{0}{360}{%
180 /radius par
1 exc t theta0 sub cos mul add div def
184 L'excentricité, la période, demi-grand axe et demi-petit axe sont calculés par quelques lignes de code
\textsf{postscript
}. Il faut s'assurer que les conditions initiales choisies vérifient bien la condition d'une trajectoire elliptique, pour cela il faut que l'énergie initiale $
\mathcal{E
}_0<
0$, sinon cela entraînera une erreur lors du passage à l'interpréteur
\textsf{postscript
}.
190 /x0 r0 theta0 cos mul def
191 /y0 r0 theta0 sin mul def
193 /v0x v0 theta0 sin mul neg def
194 /v0y v0 theta0 cos mul def
195 /Lc r0 v0 mul def
% moment cinetique
196 /par Lc dup mul GM div def
% paramètre de l'ellipse
198 /exc
1 0.5 v0
4 exp mul r0 dup mul mul GM r0 mul
199 v0 dup mul mul sub GM dup mul div
2 mul add sqrt def
201 /a_2 par
1 exc dup mul sub div def
% demi-grand axe
203 /b_2 par
1 exc dup mul sub sqrt div def
% demi-petit axe
205 /periode
2 3.1416 dup mul a_2
3 exp mul GM div sqrt mul def
208 \verb+
\psplotDiffEqn+ utilise les équations différentielles du mouvement, en notation algébrique :
211 % y[0] y[1] y[2] y[3]
213 y
[2]|y
[3]|-GM*y
[0]/((sqrt(y
[0]^
2+y
[1]^
2))^
3)|-GM*y
[1]/((sqrt(y
[0]^
2+y
[1]^
2))^
3)
}
214 \psplotDiffEqn[unit=
2,whichabs=
0,whichord=
1,
%
215 linecolor=blue,linewidth=
0.1,
%
216 method=rk4,plotpoints=
1000,
%
217 algebraic
]{0}{37.8}{x0 y0 v0x v0y
}{\eqsatellite}%
219 Ce qui permet, par ailleurs de vérifier la qualité du tracé par la méthode numérique, en bleu, tandis que le tracé à partir de l'expression exacte est en trait fin en rouge.
222 \begin{pspicture
}(-
12,-
2)(
4,
10)
227 /x0 r0 theta0 cos mul def
228 /y0 r0 theta0 sin mul def
230 /v0x v0 theta0 sin mul neg def
231 /v0y v0 theta0 cos mul def
232 /Lc r0 v0 mul def
% moment cinetique
233 /par Lc dup mul GM div def
% paramètre de l'ellipse
235 /exc
1 0.5 v0
4 exp mul r0 dup mul mul GM r0 mul v0 dup mul mul sub GM dup mul div
2 mul add sqrt def
237 /a_2 par
1 exc dup mul sub div def
% demi-grand axe
238 /b_2 par
1 exc dup mul sub sqrt div def
% demi-petit axe
239 /periode
2 3.1416 dup mul a_2
3 exp mul GM div sqrt mul def
241 \psframe*
[linecolor=white
](-
3,-
0.2)(
0,
0.2)
242 \pscircle[fillcolor=blue!
50,fillstyle=solid
](
0,
0)
{0.5}
243 \psgrid[unit=
2,subgriddiv=
2,gridcolor=lightgray,gridlabels=
8pt
](-
6,-
1)(
2,
5)
244 \rput(-
2,
0)
{T=
\psPrintValue[decimals=
2]{periode
}\hphantom{00000}s
}
245 \psplotDiffEqn[unit=
2,whichabs=
0,whichord=
1,linecolor=blue,linewidth=
0.1,method=rk4,plotpoints=
1000,algebraic
]{0}{37.8}{x0 y0 v0x v0y
}{\eqsatellite}%
246 \parametricplot[linecolor=red,unit=
2,plotpoints=
360]{0}{360}{/radius par
1 exc t theta0 sub cos mul add div def
249 \psdot[unit=
2,dotsize=
0.12](!x0 y0)
250 \rput(!x0
2 mul y0
2 mul)
{\psline[style=vecteurC
]{->
}(!v0x v0y)
}
253 \subsection{La vitesse
}
254 \verb+
\psplotDiffEqn+ permet de voir comment varie la vitesse sur l'ellipse :
257 % y[0] y[1] y[2] y[3]
258 \psplotDiffEqn[xunit=
0.2,yunit=
5,
%
259 plotfuncy=dup
2 get dup mul exch
3 get dup mul add sqrt,
260 linecolor=red,method=rk4,plotpoints=
1000,
261 algebraic
]{0}{50}{x0 y0 v0x v0y
}{\eqsatellite}%
264 \begin{pspicture
}(
0,-
1)(
10,
7)
265 \psgrid[subgriddiv=
0,gridcolor=lightgray,griddots=
10,gridlabels=
0pt
]
269 /x0 r0 theta0 cos mul def
270 /y0 r0 theta0 sin mul def
272 /v0x v0 theta0 sin mul neg def
273 /v0y v0 theta0 cos mul def
}%
274 \psplotDiffEqn[xunit=
0.2,yunit=
5,
275 plotfuncy=dup
2 get dup mul exch
3 get dup mul add sqrt,
276 ,linecolor=red,method=rk4,plotpoints=
1000,algebraic
]{0}{50}{x0 y0 v0x v0y
}{\eqsatellite}%
277 \multido{\i=
1+
1,
\I=
5+
5}{9}{\uput[u
](
\i,
0)
{\I}}
278 \pnode(!
36.4 5 div
0)
{P
}
279 \psdot(P)
\uput[d
](P)
{Périgée
}
280 \psline[linestyle=dashed
](P)(!
36.4 5 div
7)
281 \pnode(!
36.4 10 div
0)
{A
}
282 \psdot(A)
\uput[d
](A)
{Apogée
}
283 \psline[linestyle=dashed
](A)(!
36.4 10 div
7)
285 \psline[arrowinset=
0.1,arrowsize=
0.2]{<->
}(
10,
0)(
0,
0)(
0,
7)
286 \uput[u
](
10,
0)
{$t$(s)
}
290 On peut obtenir les caractéristiques de la vitesse en un point quelconque, car le moment cinétique $L=mr
\dot{\theta}$ étant constant, pour chaque valeur de $
\theta$, on en déduit $r$ puis $
\dot{\theta}$. En coordonnées polaires, la vitesse s'exprime par :
292 \overrightarrow{v
}=
\dot{r
}\overrightarrow{e_r
}+r
\dot{\theta}\overrightarrow{e_
{\theta}}
294 $
\dot{\theta}$ et $
\dot{r
}$ s'obtiennent par les relations suivantes :
296 \dot{\theta}^
2=
\frac{r_0v_0
}{r
}
299 \dot{r
}=-
\frac{p(-
\dot{\theta}\sin(
\theta-
\theta_0)
}{(
1+
\mathrm{e
}\cos(
\theta-
\theta_0))^
2}=
\frac{r^
2}{p
}\dot{\theta}\sin(
\theta-
\theta_0)
301 La chaîne de calculs est la suivante : $
\theta\Longrightarrow r
\Longrightarrow \dot{\theta}\Longrightarrow \dot{r
}\Longrightarrow \overrightarrow{v
}$.
302 \section{Mouvement circulaire
}
305 \begin{pspicture
}(-
5,-
5.5)(
5,
5.5)
310 /x0 r0 theta0 cos mul def
311 /y0 r0 theta0 sin mul def
312 /v0 GM r0 div sqrt def
313 /v0x v0 theta0 sin mul neg def
314 /v0y v0 theta0 cos mul def
315 /Lc r0 v0 mul def
% moment cinetique
316 /par Lc dup mul GM div def
% paramètre de l'ellipse
318 /exc
1 0.5 v0
4 exp mul r0 dup mul mul GM r0 mul v0 dup mul mul sub GM dup mul div
2 mul add sqrt def
320 /a_2 par
1 exc dup mul sub div def
% demi-grand axe
321 /b_2 par
1 exc dup mul sub sqrt div def
% demi-petit axe
322 /periode
2 3.1416 mul a_2
3 exp GM div sqrt mul def
324 /vA GM par div sqrt
1 exc sub mul def
326 /vP GM par div sqrt
1 exc add mul def
328 /vAx vA theta0
90 add cos mul neg def
329 /vAy vA theta0
90 add sin mul neg def
331 /vPx vP theta0
90 add cos mul def
332 /vPy vP theta0
90 add sin mul def
334 \pscircle[fillcolor=gray!
70,fillstyle=solid
](
0,
0)
{0.75}
335 \psdot[dotstyle=+
](
0,
0)
337 \psgrid[subgriddiv=
2,gridcolor=lightgray,gridlabels=
8pt
](-
5,-
5)(
5,
5)
338 \rput(
0,-
2)
{\psframebox[linestyle=none,fillstyle=solid,fillcolor=white
]{T=
\psPrintValue[decimals=
2]{periode
}\hphantom{000000}s
}}
339 \parametricplot[linecolor=red,plotpoints=
360]{0}{360}{/radius par
1 exc t theta0 sub cos mul add div def
342 \pscircle*(!x0 y0)
{0.1}
343 %\pnode(!par 1 exc add div theta0 cos mul par 1 exc add div theta0 sin mul){P} % périgée
344 %\pnode(!par 1 exc sub div theta0 cos mul neg par 1 exc sub div theta0 sin mul neg){A} % Apogée
345 \rput(!x0 y0)
{\psline[arrowinset=
0.1,arrowsize=
0.2,linecolor=
{[rgb
]{0 0.5 1}},unit=
4]{->
}(!v0x v0y)
\uput[ur
](!v0x
2 mul v0y
2 mul)
{$
\overrightarrow{v_0
}$
}}
346 \uput[ur
](!x0 y0)
{$M_0$
}
347 \psline[linestyle=dashed
](
0,
0)(!x0 y0)
348 % position du satellite à un instant quelconque
349 \pstVerb{/theta_i
170 def
350 /radius par
1 exc theta_i theta0 sub cos mul add div def
351 /xS radius theta_i cos mul def
352 /yS radius theta_i sin mul def
353 /ux theta_i cos
1 mul def
354 /uy theta_i sin
1 mul def
357 /xi2 xS ux
2 div sub def
358 /yi2 yS uy
2 div sub def
}%
359 \pnode(!xi2 yi2)
{Mi2
}
363 \psline[linestyle=dotted
](S)(
0,
0)
364 \psline[style=vecteurC
]{->
}(S)(Mi)
366 \uput[u
](Mi2)
{$
\overrightarrow{F
}$
}
367 \psarc{->
}(
0,
0)
{1}{0}{!theta0
}
368 \uput{1.1}[!theta0
2 div
](
0,
0)
{$
\theta_0$
}
369 \psline[arrowinset=
0.1,arrowsize=
0.2]{<->
}(
5,
0)(
0,
0)(
0,
5)
370 \psline[arrowinset=
0.05,arrowsize=
0.1]{<->
}(
5,
0)(
0,
0)(
0,
5)
371 \uput[u
](
0,
5)
{$y$
}\uput[r
](
5,
0)
{$x$
}
374 Il s'obtient très facilement à partir de l'étude précédente si on sait que dans ce cas :
376 v_0=
\sqrt{\frac{\mathcal{G
}M
}{r_0
}}
383 /x0 r0 theta0 cos mul def
384 /y0 r0 theta0 sin mul def
385 /v0 GM r0 div sqrt def
386 /v0x v0 theta0 sin mul neg def
387 /v0y v0 theta0 cos mul def
}%
393 %\begin{pspicture}[shift=-2,showgrid=true](-3,-1.75)(2,1.5)
394 \begin{pspicture
}(-
12,-
6)(
4,
6)
395 \pstVerb{\parametres}%
396 \psdot[dotsize=
1](
0,
0)
397 \psplotDiffEqn[unit=
2,whichabs=
0,whichord=
1,linecolor=blue,method=rk4,plotpoints=
1000,algebraic
]{0}{36.5}{1 0 0 1.3}{\eqsatellite}%
398 % \psplotDiffEqn[whichabs=0,whichord=1,linecolor=red, plotpoints=200,method=varrkiv, varsteptol=.00001,algebraic,showpoints]{0}{35}{5 0 0 %0.25}{\eqsatellite}
399 \psgrid[unit=
2](-
6,-
3)(
2,
3)
401 \caption{Mouvement d'un satellite
}
407 %\begin{pspicture}[shift=-2,showgrid=true](-3,-1.75)(2,1.5)
408 \begin{pspicture
}(-
12,-
6)(
4,
6)
409 \pstVerb{\parametres}%
411 \psdot[dotsize=
1](
0,
0)
412 \psplotDiffEqn[whichabs=
0,whichord=
1,linecolor=blue,method=rk4,plotpoints=
1000,algebraic
]{0}{50}{1 0 0.2 1.25}{\eqsatellite}%
414 \rput(
1,
0)
{\psline[style=vecteurA
]{->
}(
0.2,
1.25)
}
417 \caption{Mouvement d'un satellite
3}