Rysowanie orbit planetarnych w języku Python

Dzisiaj zanurzymy się w świat orbit planetarnych. Nie tylko dowiemy się o kształtach tych kosmicznych ścieżek tanecznych, ale także ożywimy je, korzystając z biblioteki Turtle w Pythonie. Przygotujcie się na przygodę, która łączy astronomię, fizykę i programowanie!

1. Wprowadzenie do orbit planetarnych

Planety nie wędrują bez celu przez przestrzeń. Podążają po określonych ścieżkach wokół swoich macierzystych gwiazd, kierowane niewidzialną ręką grawitacji. Te ścieżki, czyli orbity, mogą mieć kształt od niemal doskonałych okręgów do wydłużonych elips.

2. Zrozumienie mimośrodu orbitalnego

Jedną z kluczowych cech orbity jest jej mimośród (inaczej ekscentryczność). Mimośród orbitalny to miara tego, jak bardzo orbita odbiega od doskonałego okręgu. Jest reprezentowany przez liczbę między 0 a 1:

• Mimośród równy 0 oznacza, że orbita jest doskonałym okręgiem.
• W miarę jak mimośród wzrasta w kierunku 1, orbita staje się bardziej eliptyczna.
• Mimośród równy 1 reprezentuje trajektorię paraboliczną (nie jest to zamknięta orbita).

W naszym Układzie Słonecznym większość planet ma niskie wartości mimośrodu, co skutkuje niemal kołowymi orbitami. Jednak niektóre obiekty, takie jak komety, mają orbity o wysokim mimośrodzie.

3. Przygotowanie naszego środowiska Python

Zacznijmy od zaimportowania niezbędnych bibliotek i przygotowania naszego czarnego płótna przestrzeni:

import turtle
import math

# Przygotowanie ekranu
screen = turtle.Screen()
screen.setup(800, 600)
screen.bgcolor("black")
screen.title("Symulator Orbit Planetarnych")

# Stworzenie gwiazdy w centrum
star = turtle.Turtle()
star.shape("circle")
star.color("yellow")
star.shapesize(2)
star.penup()

4. Tworzenie planet i orbit

Teraz stwórzmy funkcję do generowania planet i inną do obliczania ich ścieżek orbitalnych:

def create_planet(color, size):
    planet = turtle.Turtle()
    planet.shape("circle")
    planet.color(color)
    planet.shapesize(size)
    planet.penup()
    return planet

def orbit(planet, a, e, color):
    planet.pencolor(color)
    
    # Obliczanie pozycji początkowej
    r = a * (1 - e**2) / (1 + e * math.cos(0))
    x = r * math.cos(0)
    y = r * math.sin(0)
    
    # Przesuń planetę na pozycję początkową bez rysowania
    planet.goto(x, y)
    
    # Rozpocznij rysowanie orbity
    planet.pendown()
    
    theta = 0
    while theta <= 2 * math.pi:
        r = a * (1 - e**2) / (1 + e * math.cos(theta))
        x = r * math.cos(theta)
        y = r * math.sin(theta)
        planet.goto(x, y)
        theta += 0.01
    
    planet.penup()

W tej funkcji orbit:

• a to półoś wielka (połowa najdłuższej średnicy elipsy)
• e to mimośród

Równanie r = a * (1 - e**2) / (1 + e * math.cos(theta)) to postać biegunowa elipsy, która daje nam odległość r od ogniska (gdzie znajduje się nasza gwiazda) dla dowolnego kąta theta.

5. Symulacja różnych orbit

Stwórzmy kilka planet z różnymi wartościami mimośrodu:

# Stwórz i narysuj orbity
# Prawie okrągła orbita (jak Ziemia)
earth = create_planet("blue", 0.5)
orbit(earth, 200, 0.017, "blue")

mars = create_planet("red", 0.4)
orbit(mars, 250, 0.0934, "red")

comet = create_planet("white", 0.2)
orbit(comet, 300, 0.8, "white")

turtle.done()

6. Wyjaśnienie wyników

Kiedy uruchomisz ten kod, zobaczysz trzy orbity:

• Niebieska orbita (Ziemia) jest niemal kołowa z mimośrodem 0,017.
• Czerwona orbita (Mars) jest nieco bardziej eliptyczna z mimośrodem 0,0934.
• Biała orbita (kometa) jest silnie eliptyczna z mimośrodem 0,8.

Zauważ, że bardziej ekscentryczne orbity bardziej odbiegają od doskonałego okręgu. Orbita komety zbliża ją bardzo blisko do gwiazdy w jednym punkcie (peryhelium), a następnie zabiera ją daleko w innym (aphelium).

7. Znaczenie mimośrodu orbitalnego

Mimośród orbitalny odgrywa kluczową rolę w podróży ciała niebieskiego wokół jego macierzystej gwiazdy:

• Wpływa na odległość ciała od gwiazdy w trakcie orbity, wpływając na wahania temperatury.
• Wyższy mimośród może prowadzić do bardziej ekstremalnych zmian sezonowych na planecie.
• W niektórych przypadkach mimośród może wpływać na zdolność planety do podtrzymywania życia.

8. Podsumowanie

Dzięki tej interaktywnej symulacji w Pythonie zbadaliśmy pojęcie mimośrodu orbitalnego i to, jak kształtuje on ścieżki planet i innych ciał niebieskich. Jako przyszli odkrywcy kosmosu w Gdyńskiej Akademii Kosmicznej, zrozumienie tych dynamik orbitalnych jest kluczowe dla planowania misji, przewidywania wydarzeń astronomicznych i odkrywania tajemnic naszego wszechświata.

Pamiętajcie, wszechświat jest ogromny i pełen orbit znacznie bardziej skomplikowanych niż te, które tutaj zasymulowaliśmy. Niektóre systemy mają wiele planet wpływających nawzajem na swoje orbity, co prowadzi do fascynujących zjawisk, takich jak rezonanse orbitalne. Kontynuując swoją podróż w nauce o kosmosie, natkniecie się na te i wiele innych intrygujących koncepcji.

Kontynuujcie eksplorację, przyszli astronauci! Gwiazdy na Was czekają!

Dodatkowe wyzwanie: Spróbuj zmodyfikować kod, aby dodać więcej planet lub animować planety poruszające się po swoich orbitach. Czy możesz dodać etykiety pokazujące aktualną odległość każdej planety od gwiazdy? Wszechświat jest Twoim placem zabaw!