外行人又來多嘴了...
因為是外行, 回答對或不對並沒十分把握.
萬有引力公式
F = GMm/I^2
故, 在沒有其他作用力時, 質量 m 的質點向質量 M 的質點運動,
加速度為
a = F/m = GM/I^2
G 是萬有引力常數.
因兩質點在接近, 故 F, a, 距離, 都在變動.
所以, 若時間 t 時的距離是 r(t), r(0) = I, 則
此時引力為 F(t) = GMm/r^2(t)
質量 m 之質點向目標加速度為 a(t) = GM/r^2(t)
速度 v(t) = ∫_[0,t] a(u) du, v(0) = 0
而在質量 M 之質點不動的情況下,
r(t) = I - ∫_[0,t] v(u) du
∴ a(t) = v'(t) = -r"(t) = GM/r^2(t), r(0) = I, r'(0) = 0.
先把 r'(t) 看成是 r(t) 的函數 p(r) = r'(t), 則
r"(t) = dp(r)/dt = dp(r)/dr dr/dt = p'(r) p(r)
所以原方程式改寫為
p'(r)p(r) + GM/r^2 = 0
解此一階微方, 得
(p(r))^2/2 - GM/r = C1
當 r = I 時 (t = 0) 依假設 p(r) = -v(0) = 0,故 C1 = -GM/I.
故 p^2 = 2GM(1/r - 1/I)
因 p = r'(t) = -v(t), 故取負根
p = r'(t) = -√[2GM(1/r(t)-1/I)]
再解 r(t):
∫dr/√(1/r -1/I) = -√(2GM) t + C2
左邊積分用 r = I cos^2(x) 代換, 得
√[Ir(t)(I-r(t))] + I^(3/2) acos(√(r(t)/I)) = √(2GM) t - C2
在 t = 0 時 r(0) = I 代入, 得 C2 = 0.
√[Ir(t)(I-r(t))] + I^(3/2) acos(√(r(t)/I)) = √(2GM) t.
看起來要寫出 r(t) 的公式並不容易. 不過, 要知道兩質點接觸
時間並不難. 把 r(t) = 0 代入前列方程式,得
t = I^(3/2)(π/2)/√(2GM)
若兩質點同時向對方靠近, 則微分方程為
r"(t) = -G(M+m)/r^2(t)
因此兩質點接觸時間為
t = I^(3/2)(π/2)/√[2G(M+m)]
兩者之差:
I^(3/2)(π/2)/√(2GM) - I^(3/2)(π/2)/√[2G(M+m)]
= I^(3/2)(π/2) m/{√[2GM(M+m)] (√(M+m) +√M)}