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On travaille dans le plan de la trajectoire de la cible
(on oublie z, que l'on peut rajouter sans peine car
l'équation est découplée). Le vaisseau cible ("S" comme Soyouz) tourne autour de la terre sur une orbite circulaire, on écrit que son accélération est égale à la force de graviation de Newton. Dans le repère lié à la cible, la position du vaisseau chasseur ("A" comme Apollo) est x et y. L'accélération ressentie dans ce repère relatif est donc l'accélération précédente plus la partie Coriolis, plus la partie liée à la rotation du référentiel. La force subie par le vaisseau A est la force de Newton estimée au point A. La développement entre la force en S et en A qui est très proche (par rapport au centre de la terre) donne des termes linéaires dans les équations. |
La position et la vitesse relative r = xex + yey et vr = x′ex + y′ey
La vitesse absolue est la somme de la vitesse
d’entraînement et de la vitesse relative :
va = ve + vr
L’accélération absolue γa est la somme de
l’accélération
d’entraînement, de
l’accélération relative et de
l’accélération de Coriolis
γa = γe + γr + γc
avec γc = 2ω × r et γr = x′′ex + y′′ey
La vitesse et l’accélération
d’entraînement sont celles d’un mouvement
circulaire,
soit : ve = ω × r
L’accélération
d’entraînement est exactement
l’accélération du vaisseau cible.
C’est
donc la valeur de la force de Newton :
γe = -GM∕(R2)ex et on a ω2 = (GM∕R3)
or l’accélération
d’entraînement est par définition
γe = dω∕dt
× r + ω
× ve avec ω = (GM∕R3)1∕2 constante.
tandis que l’accélération de Coriolis
est :
γc = 2(-ωy′ex + ωx′ey) et ω × (ω × r) = -ω2xex - ω2yey
Mais,
l’accélération absolue est la force de
Newton appliquée sur le vaisseau
chasseur :
γa = -GM((R + x)ex + yey)∕∣((R + x)ex + yey)∣3
On obtient donc le
développement de :
γa - γe = GM(Rex∕R3 - ((R
+ x)ex + yey)∕∣((R + x)ex + yey)∣3 or
((R +
x)ex + yey)∕∣((R + x)ex + yey)∣3 =
= (1∕R2)(1 + (x∕R)ex + (y∕R)ey)(1 - (3∕2)(2x∕R) + ...)
ce qui nous donne :
γa - γe = -(GM∕R3)((1 - 3)xex + yey) + ... = -ω2(-2xex + yey) + ...
On a ainsi
l’accélération relative :
x′′ex + y′′ey = -(ω2(-2xex + yey) + ...) -
2(-ωy′ex + ωx′ey) + ω2xex + ω2yey
d’où les
équations finales à résoudre :
x′′ = 2ωy′ + 3ω2x et y′ = -2ωx′
La solution
générale est obtenue en remarquant que
x′′′
= -4ωx′ + 3ω2x′
soit (x′)′′ = ω2(x′)
soit x = B1cos(ωt)
+ B2sin(ωt)
+ B3
Substitué dans la deuxième y = C1 + tC2 + 2B2cos(ωt)
- 2B1sin(ωt)
Puis, en écrivant que x(0) = x0,y(0) = 0,x′(0)
= u0,y′(0)
= v0, on obtient tout
simplement :
x(t) = (2v0∕ω + 4x0) - (2v0∕ω + 3x0)cos(ωt)
+ u0∕ωsin(ωt)
y(t) = (-2u0∕ω + y0) - (3v0 + 6ωx0)t + 2u0∕ωcos(ωt) + (4v0∕ω + 6x0)sin(ωt)
Quelques exemples, de gauche à droite (vus de
différentes hauteurs)
1) x0=y0=0, u0=-1, v0=0 (on va sur la gauche, Coriolis fait tourner à droite, l'orbite est un cercle),
2) x0=y0=0, u0=0, v0=1 (on va vers l'avant, puis on recule!)
3) x0=y0=0, u0=0 v0=-1 (on recule puis on va vers
l'avant)