Trong hệ thống quay của hai vật thể vũ trụ có khối lượng nhất định, có những điểm trong không gian, bằng cách đặt bất kỳ vật thể nào có khối lượng nhỏ vào đó, bạn có thể cố định nó ở vị trí đứng yên so với hai vật thể quay này. Những điểm này được gọi là điểm Lagrange. Bài viết sẽ thảo luận về cách chúng được con người sử dụng.
Điểm Lagrange là gì?
Để hiểu được vấn đề này, ta nên chuyển sang giải bài toán về ba vật thể quay, hai vật thể có khối lượng sao cho khối lượng của vật thể thứ ba là không đáng kể so với chúng. Trong trường hợp này, có thể tìm thấy các vị trí trong không gian mà trường hấp dẫn của cả hai vật thể có khối lượng lớn sẽ bù cho lực hướng tâm của toàn bộ hệ quay. Các vị trí này sẽ là các điểm Lagrange. Bằng cách đặt một vật thể có khối lượng nhỏ vào trong chúng, người ta có thể quan sát khoảng cách của nó đến từng vật thể trong số hai vật thể có khối lượng lớn không thay đổi như thế nào trong một thời gian dài tùy ý. Ở đây, chúng ta có thể rút ra một sự tương tự với quỹ đạo địa tĩnh, nơi vệ tinh luôn ởnằm trên một điểm trên bề mặt trái đất.
Cần phải làm rõ rằng vật thể nằm ở điểm Lagrange (nó còn được gọi là điểm tự do hoặc điểm L), so với người quan sát bên ngoài, chuyển động xung quanh mỗi vật thể trong số hai vật thể có khối lượng lớn, nhưng chuyển động này kết hợp với chuyển động của hai phần còn lại của hệ thống có đặc điểm như vậy đối với mỗi phần trong số chúng, phần thứ ba đang ở trạng thái nghỉ.
Có bao nhiêu điểm trong số này và chúng nằm ở đâu?
Đối với một hệ thống quay hai vật thể có khối lượng hoàn toàn bất kỳ, chỉ có năm điểm L, thường được ký hiệu là L1, L2, L3, L4 và L5. Tất cả các điểm này đều nằm trong mặt phẳng quay của các vật thể đang xét. Ba điểm đầu tiên nằm trên đường nối các khối tâm của hai vật sao cho L1 nằm giữa các vật, và L2 và L3 ở phía sau mỗi vật. Các điểm L4 và L5 được định vị sao cho nếu bạn nối mỗi điểm với khối tâm của hai vật thuộc hệ, bạn sẽ có được hai hình tam giác giống hệt nhau trong không gian. Hình dưới đây cho thấy tất cả các điểm Lagrange của Trái đất-Mặt trời.
Các mũi tên màu xanh và đỏ trong hình cho biết hướng của lực tác động khi đến gần điểm tự do tương ứng. Từ hình vẽ có thể thấy rằng diện tích của các điểm L4 và L5 lớn hơn nhiều so với diện tích của các điểm L1, L2 và L3.
Bối cảnh lịch sử
Lần đầu tiên, sự tồn tại của các điểm tự do trong hệ ba vật thể quay được nhà toán học người Pháp gốc Ý Joseph Louis Lagrange chứng minh vào năm 1772. Để làm được điều này, nhà khoa học đã phải đưa ra một số giả thuyết vàphát triển cơ học của riêng bạn, khác với cơ học Newton.
Lagrange đã tính toán các điểm L, được đặt theo tên của ông, cho các quỹ đạo tròn lý tưởng của cuộc cách mạng. Trong thực tế, quỹ đạo là hình elip. Thực tế thứ hai dẫn đến thực tế là không còn điểm Lagrange nữa, nhưng có những khu vực trong đó vật thể thứ ba có khối lượng nhỏ tạo ra chuyển động tròn tương tự như chuyển động của từng vật thể trong số hai vật thể khối lượng lớn.
Điểm miễn phí L1
Sự tồn tại của điểm Lagrange L1 rất dễ chứng minh bằng cách sử dụng lý luận sau: hãy lấy Mặt trời và Trái đất làm ví dụ, theo định luật thứ ba của Kepler, vật thể càng gần ngôi sao của nó thì vật thể của nó càng ngắn. chu kỳ quay xung quanh ngôi sao này (bình phương của chu kỳ quay của vật thể tỷ lệ thuận với hình lập phương của khoảng cách trung bình từ vật thể đến ngôi sao). Điều này có nghĩa là bất kỳ thiên thể nào nằm giữa Trái đất và Mặt trời sẽ quay xung quanh ngôi sao nhanh hơn hành tinh của chúng ta.
Tuy nhiên, định luật Kepler không tính đến ảnh hưởng của lực hấp dẫn của vật thể thứ hai, tức là Trái đất. Nếu tính đến thực tế này, thì chúng ta có thể giả định rằng thiên thể thứ ba có khối lượng nhỏ càng gần Trái đất, thì lực hấp dẫn Mặt trời của Trái đất càng mạnh. Kết quả là sẽ có một điểm mà lực hấp dẫn của Trái đất sẽ làm chậm tốc độ quay của thiên thể thứ ba quanh Mặt trời theo cách mà chu kỳ quay của hành tinh và vật thể sẽ trở nên bằng nhau. Đây sẽ là điểm miễn phí L1. Khoảng cách đến điểm Lagrange L1 từ Trái đất bằng 1/100 bán kính quỹ đạo của hành tinh xung quanhsao và là 1,5 triệu km.
Vùng L1 được sử dụng như thế nào? Đây là một nơi lý tưởng để quan sát bức xạ mặt trời vì ở đây không bao giờ có nhật thực. Hiện tại, một số vệ tinh được đặt trong vùng L1, chúng đang tham gia vào việc nghiên cứu gió mặt trời. Một trong số đó là vệ tinh nhân tạo của Châu Âu SOHO.
Đối với điểm Lagrange Trái đất-Mặt trăng này, nó nằm cách Mặt trăng khoảng 60.000 km và được sử dụng làm điểm "trung chuyển" trong các sứ mệnh của tàu vũ trụ và vệ tinh đến và đi từ Mặt trăng.
Điểm miễn phí L2
Lập luận tương tự như trường hợp trước, chúng ta có thể kết luận rằng trong một hệ hai vật thể quay ngoài quỹ đạo của một vật thể có khối lượng nhỏ hơn, cần có một khu vực mà lực ly tâm giảm xuống được bù đắp bởi trọng lực của vật này, dẫn đến sự căn chỉnh của các chu kỳ quay của vật có khối lượng nhỏ hơn và của vật thứ ba xung quanh vật có khối lượng lớn hơn. Khu vực này là điểm miễn phí L2.
Nếu chúng ta xem xét hệ Mặt trời-Trái đất, thì đến điểm Lagrange này, khoảng cách từ hành tinh sẽ giống hệt với điểm L1, tức là 1,5 triệu km, chỉ có L2 nằm sau Trái đất và xa hơn từ mặt trời. Vì không có ảnh hưởng của bức xạ mặt trời trong vùng L2 do sự bảo vệ của trái đất, nó được sử dụng để quan sát Vũ trụ, có nhiều vệ tinh và kính thiên văn ở đây.
Trong hệ thống Trái đất-Mặt trăng, điểm L2 nằm sau vệ tinh tự nhiên của Trái đất, cách nó 60.000 km. Trong âm lịch L2có những vệ tinh được sử dụng để quan sát phía xa của mặt trăng.
Điểm miễn phí L3, L4 và L5
Điểm L3 trong hệ Mặt trời-Trái đất nằm sau ngôi sao nên không thể quan sát nó từ Trái đất. Điểm này không được sử dụng theo bất kỳ cách nào, vì nó không ổn định do ảnh hưởng của lực hấp dẫn của các hành tinh khác, chẳng hạn như sao Kim.
Điểm L4 và L5 là vùng Lagrange ổn định nhất, vì vậy hầu hết mọi hành tinh đều có các tiểu hành tinh hoặc bụi vũ trụ. Ví dụ, chỉ có bụi vũ trụ tồn tại tại các điểm Lagrange này của Mặt trăng, trong khi các tiểu hành tinh Trojan nằm ở L4 và L5 của Sao Mộc.
Công dụng khác chấm miễn phí
Ngoài việc lắp đặt vệ tinh và quan sát không gian, các điểm Lagrange của Trái đất và các hành tinh khác cũng có thể được sử dụng để du hành vũ trụ. Nó dựa trên lý thuyết rằng việc di chuyển qua các điểm Lagrange của các hành tinh khác nhau là thuận lợi về mặt năng lượng và cần ít năng lượng.
Một ví dụ thú vị khác về việc sử dụng điểm L1 của Trái đất là dự án vật lý của một học sinh Ukraine. Ông đề xuất đặt một đám mây bụi tiểu hành tinh trong khu vực này, nó sẽ bảo vệ Trái đất khỏi sức gió hủy diệt của Mặt trời. Do đó, điểm có thể được sử dụng để ảnh hưởng đến khí hậu của toàn bộ hành tinh xanh.
