拉格朗日点和平面圆三体问题[转]

拉格朗日点和平面圆三体问题[转]

中文名称：拉格朗日点

英文名称：Lagrangian point

定义：圆型限制性三体问题中存在的五个秤动点的总称。包括两个等边三角形点和三个共线点。

拉格朗日点指受两大物体引力作用下,能使小物体稳定的点.

一个小物体在两个大物体的引力作用下在空间中的一点，在该点处，小物体相对于两大物体基本保持静止。这些点的存在由法国数学家拉格朗日于1772年推导证明的。1906年首次发现运动于木星轨道上的小行星（见脱罗央群小行星）在木星和太阳的作用下处于拉格朗日点上。在每个由两大天体构成的系统中，按推论有5个拉格朗日点，但只有两个是稳定的，即小物体在该点处即使受外界引力的摄扰，仍然有保持在原来位置处的倾向。每个稳定点同两大物体所在的点构成一个等边三角.

，1767年数学家欧拉Leonhard Euler (1707-1783)

根据旋转的二体引力场推算出其中三个点（特解）L1、L2、L3，1772年数学家拉格朗日Joseph Lagrange

(1736-1813) 推算出另外两个点（特解）L4、L5；但后来习惯上将这五个点都称为“拉格朗日Lagrange”或“拉格朗日点Lagrangian points”；有时也称为“平动点libration points”。

发现

18世纪法国数学家、力学家和天文学家拉格朗日（拉格朗治）在1772年发表的论文“三体问题”中，为了求得三体问题的通解，他用了一个非常特殊的例子作为问题的结果，即：如果某一时刻，三个运动物体恰恰处于等边三角形的三个顶点，那么给定初速度，它们将始终保持等边三角形队形运动。

A.D

1906年，天文学家发现了第588号小行星和太阳正好等距离，它同木星几乎在同一轨道上超前60°运动，它们一起构成运动着的等边三角形。同年发现的第617号小行星也在木星轨道上落后60°左右，构成第2个拉格朗日（拉格朗治）正三角形。20世纪80年代，天文学家发现土星和它的大卫星构成的运动系统中也有类似的正三角形。人们进一步发现，在自然界各种运动系统中，都有拉格朗日（拉格朗治）点。1906年首次发现运动于木星轨道上的小行星（见脱罗央群

小行星）在木星和太阳的作用下处于拉格朗日点上。在每个由两大天体构成的系统中，按推论有5个拉格朗日点，但只有两个是稳定的，即小物体在该点处即使受外界引力的摄扰，

仍然有保持在原来位置处的倾向。每个稳定点同两大物体所在的点构成一个等边三角。

现象

L1、L2和L3在两个天体的连线上，为不稳定点。不过，虽然它们是不稳定的，但可选取适当的初始扰动，使相应平动点附近的运动仍为周期运动或拟周期运动。即选取这样的初始扰动使系统原来的解退化为周期解，相应的运动变为稳定的，此时这种稳定称为条件稳定。对于L4、L5，当0<μ<μ*时（其中μ*满足μ*(1-μ*)=1/27），L4、L5是线性稳定的。对于太阳系中处理成限制性三体问题的各个系统，如日-木-小行星，日-地-月球，……，相应的μ均满足条件0<μ<μ*（μ*满足μ*(1-μ*)=1/27）。对于μ*<μ<1/2的情况，显然是不稳定的。至于μ=μ*，非线性稳定性情况，以及椭圆型限制性三体问题中的三角平动点情况，请参见扩展阅读[2]和[3].

拉格朗日点的五个特解

L1在M1和M2两个大天体的连线上，且在它们之间。

例如：一个围绕太阳旋转的物体，它距太阳的距离越近，它的轨道周期就越短。但是这忽略了地球的万有引力对其产生的拉力的影响。如果这个物体在地球与太阳之间，地球引力的影响会减弱太阳对这物体的拉力，因此增加了这个物体的轨道周期。物体距地球越近，这种影响就越大。在L1点，物体的轨道周期恰好等于地球的轨道周期。太阳及日光层探测仪（SOHO）（NASA关于SOHO工程的网站）即围绕日-地系统的L1点运行。

L2在两个大天体的连线上，且在较小的天体一侧。例如：相似的影响发生在地球的另一侧。一个物体距太阳的距离越远，它的轨道周期通常就越长。地球引力对其的拉力减小了物体的轨道周期。在L2点，轨道周期变得与地球的相等。L2通常用于放置空间天文台。因为L2的物体可以保持背向太阳和地球的方位，易于保护和校准。威尔金森微波各向异性探测器已经围绕日-地系统的L2点运行。詹姆斯·韦伯太空望远镜将要被放置在日-地系统的L2点上。

L3在两个大天体的连线上，且在较大的天体一侧。例如：第三个拉格朗日点，L3，位于太阳的另一侧，比地球距太阳

略微远一些。地球与太阳的合拉力再次使物体的运行轨道周期与地球相等。一些科幻小说和漫画经常会在L3点描述出一个“反地球”

。

L4在以两天体连线为底的等边三角形的第三个顶点上，且在较小天体围绕较大天体运行轨道的前方。

L5在以两天体连线为底的等边三角形的第三个顶点上，且在较小天体围绕较大天体运行轨道的后方。

L4和L5有时称为“三角拉格朗日点”或“特洛伊点”。

土卫三的L4和L5点有两个小卫星，土卫十三和土卫十四。土卫四在L4点有一个卫星土卫十二。

天文学中的用途

在双星系统、行星和太阳、卫星和行星(或任何因重力牵引而相互绕行的两个天体)

的轨道面上，所特有的一些稳定点。例如，超前和落後木星轨道60度的地方，各有一个拉格朗日点，如果有小行星在这两个拉格朗日点上，它会在此点附近振荡，但不会离开这些点，而特洛伊小行星

(Trojan asteroids)

就是位在这两个区域。事实上，任何「双星系统」都有五个拉格朗日点。除了上面的两个点之外，另三个的拉格朗日点不很稳定，位在其他拉格朗日点上的小天体，稍受扰动就会离开它位置。在天体力学中，拉格朗日点是限制性三体问题的5个特解。例如，两个天体环绕运行，在空间中有5个位置可以放入第三个物体（质量忽略不计），并使其保持在两个天体的相应位置上。理想状态下，两个同轨道物体以相同的周期旋转，两个天体的万有引力与离心力在拉格朗日点平衡，使得第三个物体与前两个物体相对静止。

理性在太空闪光

按照计划，美国国家航空航天局要对哈勃空间望远镜（HST）进行第5次维修。维修之后，人们估计它至少能够再工作5年。HST一时还不“退休”，“继任者”詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）只好在地面上再静候几年了。有趣的是，詹姆斯·韦伯空间望远镜将不像HST那样绕着地球公转，它的“工作地点”被定在太阳-地球系统的“第二拉格朗日点”（在地球背向太阳一面的150万千米处）。拉格朗日（1736—1813）怎么也想不到，他的“三体问题”研究成果，在发表200多年之后，屡次在人类的科学研究与航天工程中