自転球体上の移動は,カオス力学の謂う「カオス」になる。
自転球体上の移動の追跡は,「解析」を方法にすることはできない。
これは,区分求積で求めるのみとなる:
初期設定
Px(0)=P0xPy(0)=P0yPz(0)=P0z vx(0)=v0xvy(0)=v0yvz(0)=v0z
t→t+Δt
Px(t+Δt)=Px(t)−vx(t) cos(sin−1(Pz(t)R )) ΔtPy(t+Δt)=Py(t)+vy(t) cos(sin−1(Py(t)R )) ΔtPz(t+Δt)=Pz(t)+vz(t) cos(sin−1(Pz(t)R )) Δt vx(t+Δt)=vx(t)+ax(t) Δtvy(t+Δt)=vy(t)+ay(t) Δtvz(t+Δt)=vz(t)+az(t) Δt
ここで注意しなければならないのは, P(t), v(t) から P(t+Δt),v(t+Δt) を計算する上式は,座標が (P(t),v(t))-座標だということである。
P(t+Δt), v(t+Δt) から P((t+Δt)+Δt′),v((t+Δt)+Δt′) を計算するときの座標は,(P(t+Δt),v(t+Δt))-座標になる。
こうして,区分求積の [t, t+Δt] 区間での作業手順は,つぎのようになる:
- P(t), v(t) の固定座標から開始
- (P(t),v(t))-回転角 α(t) を求める
- P(t), v(t) の固定座標を (P(t),v(t))-座標に変換
- P(t), v(t) に対する加速度 a(t) を (P(t),v(t))-座標で計算
- P(t+Δt) を (P(t),v(t))-座標で計算
- v(t+Δt) を (P(t),v(t))-座標で計算
- P(t+Δt), v(t+Δt) の (P(t),v(t))-座標を固定座標に変換
各ステップの中身は,以下の通り:
1. P(t), v(t) の固定座標から開始
P(t)=(Pˆx(t), Pˆy(t), Pˆz(t))v(t)=(vˆx(t), vˆy(t), vˆz(t))
2. (P(t),v(t))-回転角 α(t) を求める
Pˆz=0⟹ α=sin−1(PˆyR) Pˆz>0⟹ α=sin−1(A√A2+B2)Pˆz<0⟹ α=−sin−1(A√A2+B2)
ここで
A=P2ˆx vˆy−Pˆx Pˆy vˆx−R2 vˆyB=Pˆx Pˆy vˆy−P2ˆy vˆx+R2 vˆx
3. P(t), v(t) の固定座標を (P(t),v(t))-座標に変換
Px(t)=Pˆx(t) cos(α(t))+Pˆy(t) sin(α(t))Py(t)=−Pˆx(t) sin(α(t))+Pˆy(t) cos(α(t))Pz(t)=Pˆz(t) vx(t)=vˆx(t) cos(α(t))+vˆy(t) sin(α(t))vy(t)=−vˆx(t) sin(α(t))+vˆy(t) cos(α(t))vz(t)=vˆz(t)
4. P(t), v(t) に対する加速度 a(t) を (P(t),v(t))-座標で計算
つぎのようにおく:
a(t)=(ax(t), ay(t), az(t))v(t)=|v(t)|
(1) Px=R, Py=Pz=0, vx=vz=0 の場合
── S が赤道の場合
ax(t)=−v(t)2R+RΩ2ay(t)=0az(t)=0
(2) Py=0, vy=0 の場合
── S が経線の場合
ax(t)=−v(t)2R2 Px(t)+Ω2 Px(t)ay(t)=0az(t)=−v(t)2R2 Pz(t)
(3) Px=R, Py=Pz=0 の場合
── P が赤道にある場合
ax(t)=−v(t)2R +RΩ2ay(t)=0az(t)=0
(4) 上のいずれでもない場合
ax(t)=−v(t)2R2 Px(t)+Ω2 Px(t)ay(t)=−v(t)2R2 Py(t)+Ω2 Py(t)az(t)=−v(t)2R2 Pz(t)
5. P(t+Δt) を (P(t),v(t))-座標で計算
(1) P(t)x=R, P(t)y=P(t)z=0, v(t)x=v(t)z=0 の場合
── S が赤道の場合
P(t+Δt)x=R cos(v(t) ΔtR)P(t+Δt)y=R sin(v(t) ΔtR)P(t+Δt)z=0
(2) P(t)y=0, v(t)y=0 の場合
── S が経線の場合
P(t+Δt)x=P(t)x cos(v(t) ΔtR)−P(t)z sin(v(t) ΔtR)P(t+Δt)y=0P(t+Δt)z=P(t)z cos(v(t) ΔtR)+P(t)x sin(v(t) ΔtR)
(3) P(t)x=R, P(t)y=P(t)z=0 の場合
── P が赤道上にある場合
P(t+Δt)y=R v(t)yv (sin(v(t) ΔtR)) P(t+Δt)z=R v(t)zv (sin(v(t) ΔtR))
(4) 上のいずれでもない場合
P(t+Δt)x=P(t)x cos(v(t) ΔtR)−√R2−P(t)2x sin(v(t) ΔtR)P(t+Δt)y=P(t)y cos(v(t) ΔtR)+P(t)x P(t)y√R2−P(t)2x sin(v(t) ΔtR)P(t+Δt)z=P(t)z cos(v(t) ΔtR)+P(t)z P(t)x√R2−P(t)2x sin(v(t) ΔtR)
6. v(t+Δt) を (P(t),v(t))-座標で計算
v′x=v(t)x+a(t)x Δtv′y=v(t)y+a(t)y Δtv′z=v(t)z+a(t)z Δt
v′=√v′x2+v′y2+v′z2θ=sin−1(P(t+Δt)x v′x+P(t+Δt)y v′y+P(t+Δt)z v′zR v′ )
v(t+Δt)x=v′x cos(θ)v(t+Δt)y=v′y cos(θ)v(t+Δt)z=v′z cos(θ)
7. P(t+Δt), v(t+Δt) の (P(t),v(t))-座標を固定座標に変換
P(t+Δt)ˆx=P(t+Δt)x cos(α)−P(t+Δt)y sin(α)P(t+Δt)ˆy=P(t+Δt)x sin(α)+P(t+Δt)y cos(α)P(t+Δt)ˆz=P(t+Δt)z v(t+Δt)ˆx=v(t+Δt)x cos(α)−v(t+Δt)y sin(α)v(t+Δt)ˆy=v(t+Δt)x sin(α)+v(t+Δt)y cos(α)v(t+Δt)ˆz=v(t+Δt)z
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