レッスン8:力と積分
Pythonで 「三体の軌道」 を作りながら、次のことを学びます:
- ベクトルで表すニュートンの重力
- 天体の組を回す入れ子のループ
- 積分のリープフロッグ法
- 3次元配列:ステップ × 天体 × 座標
- 変わってはいけないもので確かめるシミュレーション
まず見てみる
クリックするとYouTubeから再生されます。
"""Three bodies: the figure-eight orbit, from the starting values computed by Carles Simo
(in Chenciner and Montgomery, 2000). G = 1, three masses of 1.
Run: python three-body-orbits.py (needs: pip install numpy matplotlib)
"""
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.style.use("dark_background")
x1 = np.array([0.97000436, -0.24308753])
V = np.array([-0.93240737, -0.86473146]) # the velocity of body 3
pos = np.array([x1, -x1, [0.0, 0.0]])
vel = np.array([-V / 2, -V / 2, V])
period, dt = 6.32591398, 0.0005
turn = 0 # degrees to turn the first velocity by (the film breaks the eight with 15)
a = np.radians(turn)
vel[0] = [vel[0, 0] * np.cos(a) - vel[0, 1] * np.sin(a), vel[0, 0] * np.sin(a) + vel[0, 1] * np.cos(a)]
def pull(p):
"""Each body's acceleration: the sum of the other two's gravity, G*m / r**2 towards each"""
acc = np.zeros_like(p)
for i in range(3):
for j in range(3):
if i != j:
d = p[j] - p[i]
acc[i] += d / np.linalg.norm(d) ** 3
return acc
track = []
acc = pull(pos)
for _ in range(int(3 * period / dt)): # three periods, leapfrog steps (they keep the energy well)
vel += acc * dt / 2
pos += vel * dt
acc = pull(pos)
vel += acc * dt / 2
track.append(pos.copy())
track = np.array(track)
colours = ["#5eead4", "#f0abfc", "#f5c76b"]
plt.figure(figsize=(7, 4))
for body in range(3): # all three run along the same track, a third of a period apart
plt.plot(track[:, body, 0], track[:, body, 1], color=colours[body], linewidth=1)
plt.scatter(track[-1, :, 0], track[-1, :, 1], c=colours, s=80, zorder=3)
plt.axis("equal")
plt.axis("off")
plt.show()
# Try: turn = 15 -> the three tracks no longer close; the eight falls apart
このコンピューターにPythonが入っていませんか?ノートブックなら、同じスクリプト、練習問題、答えを、ブラウザ上のGoogle Colabで実行できます。ノートブックは英語です。
1行ずつ
def pull(p):ほかの2つの天体の重力による、各天体の加速度です。
acc[i] += d / np.linalg.norm(d) ** 3重力 G·m / r² に向き d / r を合わせると d / r³ になります。ここでは G と質量は1です。
vel += acc * dt / 2リープフロッグ法:速度を半ステップ、位置を1ステップ進め、それから新しい力で残りの半ステップを進めます。
pos += vel * dt位置は、半分だけ更新した速度で動きます。
track = np.array(track)すべてのステップをひとつの配列に:track[ステップ, 天体, x または y]。
plt.scatter(track[-1, :, 0], track[-1, :, 1], c=colours, s=80, zorder=3)3つの天体が最後にいる位置。ひとつの共通の軌跡の上に、周期の3分の1ずつ離れて並んでいます。
やってみよう
最後に、重心はどこにありますか?
ヒント
track[-1].mean(axis=0)。
答え
約10⁻¹³の誤差で (0, 0) です。全運動量がゼロなので、重心はけっして動きません。
動画と同じように turn = 15 にしてみましょう。何が起こり、今度は重心はどこへ行きますか?
ヒント
出発時と、1周期後の位置を比べます。
答え
軌跡はもう閉じません。1周期後、3つの天体は合わせて、出発した位置から約2単位離れています。速度のひとつを回すと系に運動量も加わるので、重心は流れていき、最後には約 (−0.81, 0.67) に来ます。
dt を10倍の0.005にしてみましょう。8の字はまだ閉じますか?
ヒント
1周期後に、天体が出発点からどれだけ離れているかを測ります。
答え
閉じますが、正確さは下がります。1周期後、3つは合わせて出発点から約0.006離れています。dt = 0.0005 なら約0.0001です。
クイズ
フラッシュカード
表を読み、裏に何があるかを自分で言ってみてから、カードを開いてください。
天体iにかかる重力
ほかの天体jについての Σ G·mⱼ·(rⱼ − rᵢ) / |rⱼ − rᵢ|³。
リープフロッグ法
速度を半ステップ、位置を1ステップ、さらに速度を半ステップ。
周期軌道
1周期ののちに、ちょうど自分自身に戻ってくる出発点。
重心
質量で重みをつけた位置の平均。全運動量がゼロでないときにだけ動きます。
カオス
出発時のごく小さな変化が育って、やがて運動がまったく別物になること。