Puntoslagrnge2
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Este documento presenta el cálculo de los puntos de Lagrange (L1, L2, L3, L4 y L5) para los sistemas Tierra-Luna y Sol-Tierra. Usa las ecuaciones del movimiento newtoniano y el programa wxMaxima para resolverlas numéricamente y encontrar las posiciones de los puntos, incluyendo que el telescopio James Webb orbita el punto L2 de la Tierra-Luna a 1.1827d de distancia de la Tierra. También analiza la estabilidad de cada punto y encuentra que L1, L2 y L3
![Cálculo del punto L2, el cuál orbita el telescopio James Webb
Miguel Bustamante 1.
,
February 15, 2022
1 miguelbustamante271@yahoo.com, San javier, Maule, Chile
Abstract
Este artı́culo presenta el cálculo de los puntos de Lagrange (L1,L2,L3,L4 y L5) del
sistema Tierra-Luna. La motivación fue el cálculo del punto orbital del telescopio James
Webb, que gira en torno del punto L2. A partir de los primeros principios, y con el
programa de acceso libre wxmaxima, se pudo calcular la posición relativa de los puntos
de la Tierra -Luna, como también del sistema Sol-Tierra. Este metodologı́a se puede
aplicar a cualquier sistema que cumpla con la condición m1 > m2 >> m3.
Author summary
Miguel Bustamante, Licenciado en Fı́sica de la Universidad de Chile, Magister en
Biofı́sica -Médica de la Universidad de Chile.
Independiente
Introducción 1
La NASA ha logrado poner en órbita el telescopio James Webb [2] cuyo lanzamiento fue 2
el 25 de diciembre del 2021. Lo interesante de esta hazaña, es que lo ha puesto en órbita 3
en torno del punto L2 de Lagrange. Pero.¿ que se significa esto? 4
Con el afán de mostrar que el cálculo y herramientas se presenta la deducción de los 5
puntos de Lagrange a partir de primeros principios, se puede realizar en notebooke con 6
la ayuda del programa wxmaxima. 7
Este tipo de problema corresponde al “problema de 3 cuerpos”. En general, no existe 8
solución analı́tica del “problema de tres cuerpos” [4]. Sólo existen unas pocas soluciónes 9
con relaciones entre las masas muy especı́ficos y/o particulares. En el problema de los 10
puntos de Lagrange, es un caso en particular [1], donde esta presente la siguiente 11
relación entre las masas involucradas: m1 > m2 >> m3. En la figura se observa el 12
esquema del problema, donde el centro del sistema de referencia está en el centro de 13
masa del sistema m1, m2. 14
1](https://image.slidesharecdn.com/puntoslagrnge2-220215205146/85/Puntoslagrnge2-1-320.jpg)
![Li Vxx Vyy Vxy
1 ¸−7.794580849813977x10−11
4.808838291260972x10−11
0
2 −2.547350776624776x10−11
2.18522325466637x10−11
0
3 −6.198940261085475x10−12
1.221494879408256x10−11
0
4 8.382735381137604x10−12
−1.969555601185951x10−12
−7.616521620592216x10−12
5 8.382735381137604x10−12
−1.969555601185951x10−12
7.616521620592216x10−12
Table 3. Valores de las segundas derivadas en los puntos de Lagrange.
Discussion 86
Como hemos visto, a partir de primeros principios, se ha podido calcular los puntos de 87
Lagrange del sistema Tierra-Luna. En particular, el punto L2, el cual el telescopios 88
James Webb orbı́ta. 89
Apliquemos el procedimiento para el sistema Sol-Tierra. La masa del sol 90
m1 = MS = 1.9885x1030
kg, y la distancia Tierra- Sol d=1.496 ∗ 1010
m , con un perı́odo 91
T= 1 año=31.536x106
s. Como el Sol es 330000 veces mas grande que la Tierra, el centro 92
de masa del sistema está practicamente en el centro del Sol. Con estos datos, se obtienen 93
los siguientes valores para los puntos de Lagrange del sistema Sol-Tierra (Tabla 4). 94
Li Distancia [m]
1 0.998266139710441d 1.4934x1010
2 9.995100009638465d 1.4952x1011
3 -9.99509992825381d −1.4952x1011
4 (0.499996996740224,9.982585701164702)d (7.4799x109
, 1.4933x1011
)
5 (0.499996996740224,-9.982585701164702)d (7.298x109
, −1.4933x1011
)
Table 4. Posiciones de los puntos de Lagrange en el Sistema Sol-Tierra
Nótese que el punto L1 del sistema Sol-Tierra está solo a 0.0017d de la Tierra; el punto 95
L2 está a casi 10d lejos de la Tierra. 96
El ángulo que forma L4 y L5 respecto de la horizontal es de 87.132◦
, cecano a 90◦
. 97
Obviamente, con este método podemos calcular los puntos del sistema Sol-Jupiter. De 98
hecho, en los puntos L4 y L5 del sistema Sol-Jupiter están los asteriodes demoniados 99
Troyanos [3] 100
Conclusion 101
Se calculó los puntos de Lagrange a partir de primeros principios. El cálculo numérico 102
fue por medio de un programa de acceso libre wxmaxima. Lo intersante de este 103
problema, es que un alumno que cursó electricidad y Magnetimso, está capacitado en 104
obtener estos resultados y como aplicarlos a otro sistema de tres cuerpos. Sólo debe 105
estar familiarizado con el programa. 106
References 107
1. Puntos de Lagrange.puntolagrange (document) 108
2. Webb’s Launch GSFC/NASA.webnasa (document) 109
22 6/7](https://image.slidesharecdn.com/puntoslagrnge2-220215205146/85/Puntoslagrnge2-6-320.jpg)
![3. eswiki:141412359Wikipedia@Wikipedia Wikipedia. Asteroide troyano — wikipedia, 110
la enciclopedia libre, 2022. [Internet; descargado 12-febrero-2022].eswiki:141412359 111
(document) 112
4. eswiki:141297535Wikipedia@Wikipedia Wikipedia. Problema de los tres cuerpos — 113
wikipedia, la enciclopedia libre, 2022. [Internet; descargado 114
12-febrero-2022].eswiki:141297535 (document) 115
22 7/7](https://image.slidesharecdn.com/puntoslagrnge2-220215205146/85/Puntoslagrnge2-7-320.jpg)
Puntoslagrnge2
- 1. Cálculo del punto L2, el cuál orbita el telescopio James Webb Miguel Bustamante 1. , February 15, 2022 1 miguelbustamante271@yahoo.com, San javier, Maule, Chile Abstract Este artı́culo presenta el cálculo de los puntos de Lagrange (L1,L2,L3,L4 y L5) del sistema Tierra-Luna. La motivación fue el cálculo del punto orbital del telescopio James Webb, que gira en torno del punto L2. A partir de los primeros principios, y con el programa de acceso libre wxmaxima, se pudo calcular la posición relativa de los puntos de la Tierra -Luna, como también del sistema Sol-Tierra. Este metodologı́a se puede aplicar a cualquier sistema que cumpla con la condición m1 > m2 >> m3. Author summary Miguel Bustamante, Licenciado en Fı́sica de la Universidad de Chile, Magister en Biofı́sica -Médica de la Universidad de Chile. Independiente Introducción 1 La NASA ha logrado poner en órbita el telescopio James Webb [2] cuyo lanzamiento fue 2 el 25 de diciembre del 2021. Lo interesante de esta hazaña, es que lo ha puesto en órbita 3 en torno del punto L2 de Lagrange. Pero.¿ que se significa esto? 4 Con el afán de mostrar que el cálculo y herramientas se presenta la deducción de los 5 puntos de Lagrange a partir de primeros principios, se puede realizar en notebooke con 6 la ayuda del programa wxmaxima. 7 Este tipo de problema corresponde al “problema de 3 cuerpos”. En general, no existe 8 solución analı́tica del “problema de tres cuerpos” [4]. Sólo existen unas pocas soluciónes 9 con relaciones entre las masas muy especı́ficos y/o particulares. En el problema de los 10 puntos de Lagrange, es un caso en particular [1], donde esta presente la siguiente 11 relación entre las masas involucradas: m1 > m2 >> m3. En la figura se observa el 12 esquema del problema, donde el centro del sistema de referencia está en el centro de 13 masa del sistema m1, m2. 14 1
- 2. Fig 1. Representación del problema Sistema Tierra-Luna 15 En el sistema Tierra-Luna, la masa m1corresponde a la Tierra, m2a la Luna y m3 a la 16 de un satélite, como lo es el telescopio James Webb. Todos los cuerpos en el sistema 17 rotan a una misma frecuencia Ω en torno del centro de masa. Además, las posiciones 18 relativas entre las masas permanecen constantes. 19 Obviamente, la interacción entre los cuerpos por medio de la fuerza gravitacional. 20 Recordemos que la fuerza de gravedad entre dos masas, viene dado por la expresión 21 ~ Fij = −G mimj k ~ ri − ~ rj k3 (~ ri − ~ rj) donde el valor de la constante universal de gravedad G = 6.67384x10−11 Nm2 kg2 22 La fuerza neta que actúa sobre la masa m3 viene dado por la expresión 23 ~ F31 + ~ F32 = m3 ¨ ~ r (1) donde 24 ~ F31 = −G m1m3 k~ r31k3 ~ r31 ~ F32 = −G m3m2 k~ r32k3 ~ r32 y los vectores 25 ~ r31 = xcmî + xî + r sin(θ)ĵ , 26 ~ r32 = xî + yĵ − (d − xcm)î − → r = xî + yĵ. 27 Reemplazando las expresiones de los vectores en la ecuación 1 y seperamos por 28 componente en dirección de x y en la dirección en y. Los cuerpos rotan en torno del 29 centro de masa, en una órbita circular. Por tanto, hay una aceleración centrı́peta 30 dirijida al cm ¨ ~ r = −Ω2 ~ r = −Ω2(x, y). 31 El sistema de ecuaciones que se obtinenen son 32 22 2/7
- 3. x : − Gm1(x + xcm) p (x + xcm)2 + y)2 3 (x + xcm) − Gm2(x − (d − xcm) p (x − (d − xcm))2 + y2 = −Ω2 x (2) y : − Gm1y p (x + xcm)2 + y)2 3 − Gm2y p (x − (d − xcm))2 + (y)2 3 = −Ω2 y (3) donde xcm = d m2 m1+m2 . 33 Los puntos de Langrage deben satisfacer las ecuaciones 2 y 3. Fig 2. Representación de los puntos de Lagrange, en el sistema Sol-Tierra 34 Puntos de Lagrange: L1,L2,L3 35 Vamos a suponer que y = 0. La ecuación 2, queda expresada de la forma 36 − G m1 p (x + xcm)2 3 (x + xcm) − G m2(x − (d − xcm) p (x − (d − xcm)2 3 = −Ω2 (4) Reescribiendo la ecuación 4, se puede expresar como 37 1 (x + xcm)|x + xcm| + a 1 (x − (d − xcm))|x − (d − xcm)| − Ω2 Gm1 r = 0 (5) donde a = m2/m1 38 Debemos resolver la ecuación 5 numericamente aplicado al sistema a la Tierra - Luna. 39 En este sistema la masa de la Tierra es MT = 5.972x1024 kg y la masa de la Luna 40 ML =: 7.349x1022 kg. Esto da una razón a = 0.01230576021433355. Además sabemos 41 que el periodo del sistema corresponde a la Luna 29.5 dias = 2548800 s y la distancia 42 entre la Tierra y la Luna es de d = 38440000m. Uno de los incovenientes en resolver la 43 ecuación 5 son los magnitudes de las masas como de la constante gravitacional. Para 44 facilitar el cálculo, definimos u = x/d. Al reemplazar en la ecuación 5 se obtiene la 45 siguiente relación 46 g (u, xcmu, a) := 1 (u+xcmu) |u+xcmu| + a (u−(1−xcmu)) |u−(1−xcmu)| + (−b) u 47 donde xcmu = xcm d = 0.01215616930968374 y 48 b = Ω2 d3 Gm1 = 0.09740269896097852π2 = 0.961326106 49 22 3/7
- 4. Fig 3. Grafico de g(u), mostrando los ceros Al graficar la función g(u) (figura 3), notamos que existe tres puntos donde la función es 50 cero. 51 Calculando las raices, con la aplicación wxmaxima con el cual se obtuvieron los 52 siguientes valores (Tabla 1) 53 Punto L i 1 0.8470663157837166d 2 1.182748549173182d 3 -1.058348752664077d Table 1. Valores de las coordenadas en el eje del de las masas m1 y m2 En este caso, el telescopio está orbitando el punto L2=1.1827d=454629.88 km. El 54 punto L1 está entre a Luna y la Tierra, cercano a la Luna. L3, esta posterior a la 55 Tierra, practicamente a la misma distancia de la Luna a la Tierra. 56 Pero existen más puntos, que deben satisfacer la condición y 6= 0. 57 Puntos de Lagrange: L4, L5 58 Para estos puntos, la componente y es distinto de cero. En las ecuaciones 2 y 3, al 59 reemplazar las variables de x = ud y y = vd, se pueden reescribir de las formas 60 x : − u + xcm p (u + xcmu)2 + v2 3 (u + xcmu) − 1 p (u − (1 − xcmu))2 + v2 = bu (6) y : − 1 p (u + xcmu)2 + v2 3 − a p (u − (d − xcmu))2 + v2 3 = b (7) 22 4/7
- 5. donde b = Ω2 d3 Gm1 . Aplicando algebra a las ecuaciones 6, 7 se puede obetener el siguiente 61 sistema de ecuaciones 62 (xcmu + u − 1) 2 + v2 − p = 0 y 63 (xcmu + u) 2 + v2 − q = 0 con p = a 2 3 b 2 3 xcmu 2 3 y q = 1 b 2 3 (1−xcmu) 2 3 . 64 Con los valores conocidos de p y q del sistema Tierra-Luna, la solución del sistema 65 anterior da u = 0.4878438306903162 con dos posibles valores de v, 66 v4 = −0.9271638587874336 y v5 = 0.9271638587874336 (Tabla 2). 67 As, las coordenadas de los puntos L4 y L5 son: Punto L i 4 (0.4878438306903162d,0.9271638587874336d) =(1.87x108 , 3.56x108 )m 5 (0.4878438306903162d,-0.9271638587874336d) =(1.87x108 , 3.56x108 )m Table 2. Valores de las coordenadas de los puntos L4 y L5 68 El ángulo que forman cada punto L4 y L5 respecto a la horizontal es 69 ϕ = atan(v/u) = 62.25◦ y cuyo centro del sistema esta en el centro de masa del sistema 70 m1 − m2. 71 Energı́a de la masa m3 72 Veamos la energı́a asociado a la masa m3. Esta masa tiene energı́a potencia 73 gravitacional, como energı́a cinética. 74 E(x, y) = − Gm1m3 p (x + xcm)2 + y2 − Gm2m3 p (x − (d − xcm)2 + y2 + 1 2 m3( p x2 + y2Ω)2 (8) Si la masa m3 está dentro de estos puntos, debemos ver si es estable o inestable. Es 75 decir, en una perturbación en torno al punto, debiera mostrar una capacidad para 76 retornar al punto. En una expansión de Taylor de la función anterior, los términos 77 cuadráticos nos dan la información de la estabilidad de los puntos. 78 V (x, y) = V0+ ∂V ∂x (x−x0)+ ∂V ∂y (y−y0)+ ∂2 V ∂x2 (x − x0)2 2 + ∂2 V ∂y2 (y − y0)2 2 + ∂2 V ∂x∂y (x − x0)(y − y0)+. . . En los puntos de Lagrange, la fuerzas relativas al sistema rotanto debe ser cero. En este 79 caso si V=E(x,y), las primeras de derivadas en los puntos de Lagrange es cero, como ya 80 sabemos. Debemos calcular la segunda derivada de V en cada punto para saber la 81 estabilidad de los puntos (Tabla 3). 82 Por los resultados numéricos asociados a cada punto, los punto L1, L2 y L3 son puntos 83 inestables, una pequeña perturbación los saca del equilibrio; los puntos L4 y L5 son 84 estables, a pesar con son máximos, y la estabilidad es por la fuerza de corioslis. 85 22 5/7
- 6. Li Vxx Vyy Vxy 1 ¸−7.794580849813977x10−11 4.808838291260972x10−11 0 2 −2.547350776624776x10−11 2.18522325466637x10−11 0 3 −6.198940261085475x10−12 1.221494879408256x10−11 0 4 8.382735381137604x10−12 −1.969555601185951x10−12 −7.616521620592216x10−12 5 8.382735381137604x10−12 −1.969555601185951x10−12 7.616521620592216x10−12 Table 3. Valores de las segundas derivadas en los puntos de Lagrange. Discussion 86 Como hemos visto, a partir de primeros principios, se ha podido calcular los puntos de 87 Lagrange del sistema Tierra-Luna. En particular, el punto L2, el cual el telescopios 88 James Webb orbı́ta. 89 Apliquemos el procedimiento para el sistema Sol-Tierra. La masa del sol 90 m1 = MS = 1.9885x1030 kg, y la distancia Tierra- Sol d=1.496 ∗ 1010 m , con un perı́odo 91 T= 1 año=31.536x106 s. Como el Sol es 330000 veces mas grande que la Tierra, el centro 92 de masa del sistema está practicamente en el centro del Sol. Con estos datos, se obtienen 93 los siguientes valores para los puntos de Lagrange del sistema Sol-Tierra (Tabla 4). 94 Li Distancia [m] 1 0.998266139710441d 1.4934x1010 2 9.995100009638465d 1.4952x1011 3 -9.99509992825381d −1.4952x1011 4 (0.499996996740224,9.982585701164702)d (7.4799x109 , 1.4933x1011 ) 5 (0.499996996740224,-9.982585701164702)d (7.298x109 , −1.4933x1011 ) Table 4. Posiciones de los puntos de Lagrange en el Sistema Sol-Tierra Nótese que el punto L1 del sistema Sol-Tierra está solo a 0.0017d de la Tierra; el punto 95 L2 está a casi 10d lejos de la Tierra. 96 El ángulo que forma L4 y L5 respecto de la horizontal es de 87.132◦ , cecano a 90◦ . 97 Obviamente, con este método podemos calcular los puntos del sistema Sol-Jupiter. De 98 hecho, en los puntos L4 y L5 del sistema Sol-Jupiter están los asteriodes demoniados 99 Troyanos [3] 100 Conclusion 101 Se calculó los puntos de Lagrange a partir de primeros principios. El cálculo numérico 102 fue por medio de un programa de acceso libre wxmaxima. Lo intersante de este 103 problema, es que un alumno que cursó electricidad y Magnetimso, está capacitado en 104 obtener estos resultados y como aplicarlos a otro sistema de tres cuerpos. Sólo debe 105 estar familiarizado con el programa. 106 References 107 1. Puntos de Lagrange.puntolagrange (document) 108 2. Webb’s Launch GSFC/NASA.webnasa (document) 109 22 6/7
- 7. 3. eswiki:141412359Wikipedia@Wikipedia Wikipedia. Asteroide troyano — wikipedia, 110 la enciclopedia libre, 2022. [Internet; descargado 12-febrero-2022].eswiki:141412359 111 (document) 112 4. eswiki:141297535Wikipedia@Wikipedia Wikipedia. Problema de los tres cuerpos — 113 wikipedia, la enciclopedia libre, 2022. [Internet; descargado 114 12-febrero-2022].eswiki:141297535 (document) 115 22 7/7