Up 自転球体上移動方程式の座標系の問題 作成: 2022-09-15
更新: 2022-09-29


    点 \( P = ( P'_x,\ P'_y,\ P'_z ) \) において速度が \( {\bf{v}} = ( v_x,\ v_y,\ v_z ) \) の移動は,\( \Delta t \) 後の位置 \( (P'_x,\ P'_y,\ P'_z) \) がつぎのようになる:
      \[ P'_x = P_x - v_x\ cos\bigl( sin^{-1}\bigl( \frac{P_z}{R}\ \bigr) \bigr)\ \Delta t \\ P'_y = P_y + v_y\ cos\bigl( sin^{-1}\bigl( \frac{P_y}{R}\ \bigr) \bigr)\ \Delta t \\ P'_z = P_z + v_z\ cos\bigl( sin^{-1}\bigl( \frac{P_z}{R}\ \bigr) \bigr)\ \Delta t \\ \]

    また,\( \Delta t \) 後の速度 \( {\bf{v}'} = ( v'_x,\ v'_y,\ v'_z ) \) は,\( P,\ {\bf{v}} \) における加速度を \( ( a_x,\ a_y,\ a_z ) \) で表すとき,つぎのようになる:
      \[ v'_x = v_x + a_x\ \Delta t \\ v'_y = v_y + a_y\ \Delta t \\ v'_z = v_z + a_z\ \Delta t \\ \]

    ここで加速度 \( ( a_x,\ a_y,\ a_z ) \) は,つぎのとおり:

    (1) \( \bf{v} \) が赤道に乗る場合
      \[ a_x = \frac{v^2}{R} + 2\ v\ \Omega + R \Omega^2 \\ a_y = 0 \\ a_z = 0 \\ \]
    (2) \( \bf{v} \) が経線に乗る場合
      \[ a_x = \frac{v^2 }{R^2}\ P_x + \Omega^2 \ P_x \\ a_y = 2\ \frac{ v\ \Omega }{ R }\ P_z \\ a_z = \frac{v^2}{R^2}\ P_z \\ \]
    (3) それ以外
      \[ a_x = \frac{v^2}{R^2}\ P_x + 2\ \frac{ v\ \Omega }{R}\ \frac{ P_x\ P_y }{ \sqrt{ R^2 - P_x^2 } }\ + \Omega^2\ P_x \\ a_y = \frac{v^2}{R^2}\ P_y + 2\ \frac{ v\ \Omega }{R}\ \sqrt{ R^2 - P_x^2 } + \Omega^2 \ P_y \\ a_z = \frac{v^2}{R^2}\ P_z \\ \]


    さて,これを見て,「このステップを連ねることで,物体の移動を追跡できる」と思うかも知れない。
    即ち,つぎの区分求積によって:
      \[ P_x( 0 ) = P0_x \\ P_y( 0 ) = P0_y \\ P_z( 0 ) = P0_z \\ \ \\ v_x( 0 ) = v0_x \\ v_y( 0 ) = v0_y \\ v_z( 0 ) = v0_z \\ \ \\ \ \\ P_x( t + \Delta t ) = P_x( t ) - v_x( t )\ cos\bigl( sin^{-1}\bigl( \frac{P_z( t )}{R}\ \bigr) \bigr)\ \Delta t \\ P_y( t + \Delta t ) = P_y( t ) + v_y( t )\ cos\bigl( sin^{-1}\bigl( \frac{P_y( t )}{R}\ \bigr) \bigr)\ \Delta t \\ P_z( t + \Delta t ) = P_z( t ) + v_z( t )\ cos\bigl( sin^{-1}\bigl( \frac{P_z( t )}{R}\ \bigr) \bigr)\ \Delta t \\ \ \\ v_x( t + \Delta t ) = v_x( t ) + a_x(t)\ \Delta t \\ v_y( t + \Delta t ) = v_y( t ) + a_y(t)\ \Delta t \\ v_z( t + \Delta t ) = v_z( t ) + a_z(t)\ \Delta t \\ \]

    しかし,こうはならない。
    \( P,\ \bf{v} \) における加速度の式は,\( (P, \bf{v} ) \)-座標の式だからである。
    <位置 \( P( t + \Delta t ) \) と速度 \( {\bf{v}}( t + \Delta t ) \) に対しこれの \( \Delta t' \) 後── \( P( ( t + \Delta t ) + \Delta t' ) \) と \( {\bf{v}}( ( t + \Delta t ) + \Delta t' ) \) ──を求めるためには,\( (P( t + \Delta t ), \bf{v}( t + \Delta t ) ) \)-座標を設定しなければならない。

    移動方程式には座標変換式が含まれる,というわけである。