第 7 章 万有引力と惑星 93
7.3 惑星の運動
図7.10 フィギュアスケートのスピン
ら，これらは等しい．上の関係を使うと，
mrAvA = mrBvB
mrA2ωA = mrB2ωB r2AωA = r2BωB
∴ ωB ωA
= r2A r2B
(7.44)
つまり，手を縮めると，回転速度（角速度）は大きくなることがわかる．
地球，その他の惑星，太陽は自転しており，何十億年もの間，スピンをし つづけている．一方，ミクロの世界でもスピンが存在する．すなわち，電 子や原子核，原子核をつくっているクォークも自転しているのである．特に 電子は大きさがないと思われているのに，スピンをもっているというのが 興味深い．これはいままで述べたことと矛盾している．角運動量は回転軸 +電子が大きさをもたない
ことは，実験的にもかなりの 精度で確認されている．
からの距離と速さの積なので，大きさがないものは速さ無限大で回転して いない限り，スピンはもてないからだ．ミクロの世界は古典力学と違う法則 が支配しているという典型的な例である．
7.3 惑星の運動 107 となる．最後の不等号は運動エネルギーが常に正であることからきている．
つまり惑星の運動範囲は E+
( GmM
r )
(≥0) (7.47)
を満たす領域でのみ可能である．そこでrを横軸に，V(r)を縦軸にプロッ トしてみよう（図7.11）．この場合，E >0とE <0では様子が異なる．
われわれの惑星についていえば，すべての惑星についてE <0である．そ れは以下のようにしてわかる．
上の不等式はE−V >0のことであるから，y軸の値がEをとる，x軸 に平行な直線を描くと，この直線がV(r)よりも上のところにある領域が，
運動の可能な領域である(可動域)．E >0の場合，これはあらゆるrの領域 が可動域である．一方，図7.11をみてかわるように，E <0では，r≦rm
の範囲でのみ，惑星の運動が可能である．これは我々の惑星が無限遠に飛
んでいかないことを意味している． +太陽に近づくと，角運動量 の保存則から，vが大きくな り，遠心力が働く．これによ り惑星は太陽に衝突しない．
太陽に一度近づいて，その後，無限に飛び出してしまう星もある．これ らはE≧0となっている．
図7.11 E−V ≧0の範囲．
軌道方程式 万有引力のもとで，運動をする星々の軌道を表すのが，軌 道方程式である．軌道方程式は，通常のx, y座標でなく，角度θと中心か らの距離rで表すと便利である．これを極座標とよぶ（図7.12）．このと き，惑星の軌道方程式は
r= `
1 +cosθ (≥0) (7.48)
と表せる．これは <1の場合，楕円である．角運動量LとエネルギーE +このとき，原点（太陽の位 置）は楕円の焦点である．楕 円の中心でないことに注意．
を用いると，`, は
`= L2
GM m2 (7.49)
=
√
1 + 2L2E
G2m2M2 (7.50)
と定義される．は離心率とよばれるが，その意味はすぐ後で述べる．
図7.12 極座標．
ところで−1≤cosθ≤1であるから，軌道の様子はが1を境に大きく 変わることがわかる． <1の場合，太陽からの距離rは
r=rmax = `
1− (7.51)
r=rmin = `
1 + (7.52)
よって惑星は太陽から有限の距離にとどまる．rmin,rmaxはそれぞれ近日 点，遠日点にあたる．一方，= 1, >1はそれぞれ放物線軌道，楕円軌道 となる（図7.13参照）．
の意味をもう少し考察しよう．= 0に対応するのは円軌道である．式 (7.51)から
rmax
rmin = 1 +
1− (7.53)
となり，は楕円の円からの「ゆがみ」，つまり「いびつさの程度」を表す ことがわかる．離心率の“心”とは円のことで，は円からどれだけ離れて いるかを表している．
第1，第2宇宙速度 できる限り地表に近く，円軌道で地球を周回する人 工衛星を打ち上げるのには，どのくらいの速度が必要であろうか．答えは 水平方向にv1=7.9 km/sである（図7.14）．この速さを第1宇宙速度とい う．この速さをさらに増やして，ついに初速がv2=11.2 km/sに達すると，
ロケットは地球の引力圏を離れて宇宙の彼方に飛んでいく．このとき軌道 は放物線となる．この速さを第2宇宙速度という．
第1宇宙速度を導出しよう．人工衛星は地表近くにあるので，円運動の
7.3 惑星の運動 109
図7.13 楕円軌道，放物軌道，双曲線軌道
半径はR= 6400 kmである．遠心力と重力がつり合うとすると
mv12
R = mg
∴v1 = √ Rg
(7.54) 一方，第2宇宙速度は以下のようにして求められる．地表での力学的エ ネルギーEは
E= m v22 +
(
−GmM R
)
(7.55) 一方，無限遠にぎりぎり到達するとすると，その場合，速さは0になり，運 動エネルギーは0，無限なのでポテンシャルエネルギーも0なので，E= 0 である．力学的エネルギーの保存則を用いると，
0 = m v22 +
(
−GmM R
)
(7.56) となり，
v2=
√2GM
R (7.57)
となる．式(7.13)から
v2=√
2gR=√
2v1 (7.58)
g=9.8 m/s2, R = 6.4×106 mを代入して，v1 = 7.9×103 m/s ,v2 =
1.1×104 m/sを得る． +これはあくまで地球の引
力圏を脱出する速度である．
太陽系を脱出するにはさら に大きな速度をもたす必要が ある．
気象衛星，放送，通信用の衛星は地表に対して止まっていなければ不便 である．これらは静止衛星とよばれる（図7.15）．
+一方，スパイ衛星は地表 近くを何度も周回するように 打ち上げる．地表近くだと地 球のまわりを第1宇宙速度で 回ることで何周もできて，一 日に何周もでき，また地球の 自転により，少しずつ違う場 所の画像もとれる．その上，
近くなので写真もより鮮明で ある．
静止衛星の地表からの距離を見積もってみよう．静止衛星の高度をh，地 球の半径をR，自転周期(24時間)をTとすると，衛星の速度vsは
vs= 2π(R+h)
T (7.59)
図7.14 第1宇宙速度と第2宇宙速度
図7.15 静止衛星とスパイ衛星の違い
遠心力と重力とのつり合いにより，
v2s
R+h = G M
(R+h)2
∴(R+h)vs2 = M G=gR2
∴R+h= gR2 vs2
(7.60)
これからR+hは約42,000 km，hは約36,000 kmとなる．これはかなり の距離である．衛星電波を送って，相手届くのに70,000 km以上かかる．
往復で140,000 kmである．電波は光の一種で1秒間に300,000 km 進む．
7.3 惑星の運動 111 よって，相手と話すと0.5秒の返答の遅れが生じることになる．
例題7.2 人工衛星からのロケット
地球の半径をRとし，地表から6Rの高度にある円軌道の人工衛星を 打ち上げたい（これは本文で述べたほぼ静止衛星の高度である）．この 回転速度は第1宇宙速度の何倍か．この人工衛星からロケットを宇宙 の彼方に飛ばすには，どれだけの速さが必要か．
万有引力と遠心力のつり合いから，
v2
6R = G M
(6R)2
∴v= rGM
6R = rgR
6
(7.61)
よって，1/√
6倍である．
一方，この人工衛星から打ち出すロケットの速さをV とすると，地球から見て，
ロケットはv+V の速さをもっている．このとき，力学的エネルギーは E= m
2 (v+V)2+
„
−GmM 6R
«
(7.62) ロケットが無限遠に到達するためにはE≥0なので，
v+V ≥ rgR
3 (7.63)
よって，
V =
√2−1
√6
pgR (7.64)
となる．
宇宙ロケットの加速度 第1宇宙速度，第2宇宙速度を与えることは，経 済的にも技術的にも容易ではない．そのため，実際のロケットはガスを噴 射しながら加速していくことで，宇宙速度にいきなりならなくても打ち上 げられるように工夫している．
さらに第1宇宙速度程度の速さで地球の重力圏を脱出する工夫もなされ ている．わざとロケットを月や地球以外の惑星に接近させ，この惑星の重 力によって引っ張ってもらい，加速させるのである．これを「スウィングバ イ」とよぶ（図7.16参照）．
図7.16 惑星を利用したロケットの加速，スウィングバイ．
演習問題7
A 1. 恒星の質量の導出
ある恒星に1つの惑星があることが観測された．この軌道は円軌道 で半径はr，公転周期はT であった．このことから，この恒星の質 量を導出せよ．
2. 彗星の角運動量
右図に示すように，太陽に向かって速さv0で近づいていく彗星があ る．この彗星が太陽に一番接近したときの速さはv，太陽からの距離 はRであったとする．太陽への接近の仕方は図のようにbだけずれ ていたとして，v0を求めよ．
3. 月の衛星
地球の質量をM，半径をR，万有引力定数をGとする．
(a) 地球の表面上での重力加速度gを，M, R, Gで表せ．
7.3 惑星の運動 113 (b) 質量mの物体が地球の回りを速度の大きさvで円運動している
として以下の問いに答えよ．
i. 円運動の半径rを求めよ．
ii. 円運動の周期Tを求めよ．
iii. rとTの間の関係式を求めよ．
(c) 人工衛星が地球の表面すれすれに円運動しているとして，その ときの速度を求めよ．g=9.8 m/s2，R=6400 kmとすると秒速 いくらになるか．
(d) この人工衛星が地球を1周する時間はいくらか．
(e) 静止衛星の位置は地球の中心からどの程度の距離にあるか？ケ プラーの法則から求めよ．
(f) 月の半径は地球の1/4，重力加速度は1/6である．月の表面す れすれに円運動している月観測衛星“かぐや”の周期は？
(g) 上の数値から，月と地球の密度の比を求めよ．
4. 惑星からの脱出
(a) 地球の質量をM，半径をR，万有引力定数をGとする．地球の 表面上での重力加速度gを，M, R, Gで表せ．
t= 0において，地表から鉛直方向に速さv0で質量mの物体を打ち 上げた．空気抵抗は無視できるとする．
(b) i. 物体が地表からの高さz (地球の中心からだとR+z)に 達したとき，ポテンシャルエネルギーはいくらか．答えを m, g, R, zで表せ．
ii. 物体が地表からの高さz (地球の中心からだとR+z)に達 したとき，速さはいくらか．答えをv0, g, R, zで表せ．
iii. v0=V で，物体は無限遠に到達できるようになった．V の 値は脱出速度とよばれる．V をg, Rで表せ．
iv. この初速V で打ち出したとき，高さzにおける速度は dz
dt =
√ 2gR2 z+R となることを示せ．
v. 上の微分方程式を解いて，
z= (√
R3+ 3 2
√2gR2t )2/3
−R=R (
1 + 3 2
√2g R t
)2/3
−R
を示せ．示せないときは，微分方程式に代入して示しても よい．
vi. zをtの2次までマクローリン展開（t= 0のまわりのテー ラー展開）を行い，1次，2次の項それぞれの物理的な解釈 をせよ．また，3次の項の符号はプラスか，マイナスか．