prima settimana
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Prima Settimana. Elementi di trigonometria Piana Alcuni sviluppi in serie Un'equazione trascendente La serie binomiale I triangoli piani Elementi di trigonometria sferica Coordinate polari sferiche e cartesiane Vettori Alcuni esercizi. Elementi di trigonometria piana. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Prima SettimanaElementi di trigonometria PianaAlcuni sviluppi in serieUnequazione trascendenteLa serie binomialeI triangoli pianiElementi di trigonometria sfericaCoordinate polari sferiche e cartesianeVettoriAlcuni esercizi
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Elementi di trigonometria piana1 radiante asymp 57deg2957795 asymp 3437rsquo74677 asymp 206264rdquo806 (= R)
1rdquo asymp 0000004848 radianti 1rsquo asymp 0000290888 radianti 1deg asymp 0017453292 radianti
angolo θ (rad) = θ rdquo206264806 = θ rdquoR θ rdquo = 206264806 θ (rad)=Rθ
11
)(8206264
)()()(
n
nn
La ragione della differenza tra unitagrave teoriche e pratiche egrave la seguente per definizione il radiante egrave lrsquoarco uguale al raggio ed egrave lunitagrave da usarsi in tutte le formule teoriche Tuttavia la circonferenza non egrave un multiplo razionale dellrsquoarco e per eseguire misure con cerchi graduati o con encoders digitali ci vorranno sempre unitagrave razionali per cui conviene suddividere il cerchio in 360deg di 60 di 60 ciascuno
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Ore minuti e secondi come angoli
Si faccia attenzione alluso astronomico ma anche geografico di utilizzare unitagrave di angolo che hanno lo stesso nome di unitagrave di tempo
24h = 360deg = 2π rad 1h = 15deg asymp 026179935 radianti 4m = 1deg asymp 0017453292 radianti1s = 15rdquoasymp 0000072722 radianti
Egrave solo grazie alla (quasi) regolare rotazione della Terra che gli angoli dei corpi celesti rispetto al meridiano possono essere usati anche per misurare il passare del tempo
ma i due concetti non devono essere confusi
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Alcune formule trigonometriche
sin( ) sin cos cos sin
cos( ) cos cos sin sin
tan tantan( )
1 tan tan
(da cui seguono in particolare le formule di duplicazione e quelle di bisezione che si lasciano per esercizio)
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Alcuni sviluppi in serie2 1
3 51 1sin ( 1) + ( )
2 3 5 (2 1)
i i kke e
si k
22 41 1
cos 1 ( 1) + ( )2 2 4 (2 )
i i kke e
sk
2n 2 123 5 1 2
2
21 1 1 2tan ( 1) + (- 2lt 2)
1 3 15 (2n)
nin n
i
Be
i e
sin 2 41 11
2 6e
(dove i B2n sono i numeri di Bernoulli e i egrave lrsquounitagrave immaginaria)
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Sviluppi inversi
a b c d2 3 4 5
2 3 4 5
a b a2 2
c a ab5 53
d a b a b ac14 3 18 42 2 2
Qualunque serie convergente del tipo
si puograve invertire come
dove
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Sviluppi inversi di sin e tan
sin sin sin sin1
6
3
40
5
1123 5 7
tan tan tan tan1
3
1
5
1
73 5 7
Da queste formula vediamo che le differenze prime tra le funzioni sin tan e larco sono quantitagrave del terzo grado (e segno opposto) mentre la funzione cos differisce da 1 per un termine del secondo grado Dunque quando gli angoli sono molto piccoli egrave legittimo confondere larco con sin oppure con tan e con minor precisione porre cos = 1 Quando poi approssimiamo larco con sin (oppure con tan ) la funzione restituisce il valore dellarco in radianti Per ottenere secondi darco moltiplichiamo il valore in radianti per R = 20620648 Ad es se sin = 000141 allora 000141x2062648 = 29083
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Esempi pratici - 1Esempio si voglia determinare il massimo valore di per cui
tan 1
Si scriva tan
3
3
1
206264 8
3 3 2062648 002441 R 5034 9 1 24
Oppure se il limite delle misure o dei calcoli fosse 001 saragrave lecito porre = Rsin nella condizione (valida per la tangente e a fortiori per il seno)
2
0013
32( )
001( )3
R
1000
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Esempi pratici - 2
Si supponga di usare come minimo incremento il valore = 50rdquo = 000024 rad Il quadrato dellrsquoincremento egrave 2 = 000024x50rdquo = 0rdquo012 (nota arcsec non arcsec quadrati) Tenendo in considerazione lrsquoampiezza delle derivate vediamo che se ci arrestiamo al primo termine otteniamo la funzione con una precisione di pochi centesimi di secondo drsquoarco se ci bastasse una precisione di pochi decimi di arcsec allora potremmo aumentare lrsquoincremento a 150rdquo e cosigrave via Queste considerazioni sono importanti quando si derivano i valori degli angoli dagli sviluppi in serie delle funzioni trigonometriche Per esempio vicino a 0deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul cos mentre vicino a 90deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul sin
Un altro esempio importante egrave il calcolo di uno sviluppo in serie di Taylor usando piccoli incrementi finiti
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2
d 1 d( )
d 2 d
f ff
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Unrsquoimportante equazione trascendente
Lagrange usando appunto le espressioni complesse dimostrograve che
tan tanx m y
1
1
m
mq
x y q yq
yq
yq
y sin sin sin sin22
43
64
82 3 4
Mediante le espressioni complesse delle funzioni trigonometriche possiamo risolvere limportante equazione trascendente
Poniamo
(m gt 0)
(|q| lt 1)
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Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Elementi di trigonometria piana1 radiante asymp 57deg2957795 asymp 3437rsquo74677 asymp 206264rdquo806 (= R)
1rdquo asymp 0000004848 radianti 1rsquo asymp 0000290888 radianti 1deg asymp 0017453292 radianti
angolo θ (rad) = θ rdquo206264806 = θ rdquoR θ rdquo = 206264806 θ (rad)=Rθ
11
)(8206264
)()()(
n
nn
La ragione della differenza tra unitagrave teoriche e pratiche egrave la seguente per definizione il radiante egrave lrsquoarco uguale al raggio ed egrave lunitagrave da usarsi in tutte le formule teoriche Tuttavia la circonferenza non egrave un multiplo razionale dellrsquoarco e per eseguire misure con cerchi graduati o con encoders digitali ci vorranno sempre unitagrave razionali per cui conviene suddividere il cerchio in 360deg di 60 di 60 ciascuno
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3
Ore minuti e secondi come angoli
Si faccia attenzione alluso astronomico ma anche geografico di utilizzare unitagrave di angolo che hanno lo stesso nome di unitagrave di tempo
24h = 360deg = 2π rad 1h = 15deg asymp 026179935 radianti 4m = 1deg asymp 0017453292 radianti1s = 15rdquoasymp 0000072722 radianti
Egrave solo grazie alla (quasi) regolare rotazione della Terra che gli angoli dei corpi celesti rispetto al meridiano possono essere usati anche per misurare il passare del tempo
ma i due concetti non devono essere confusi
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4
Alcune formule trigonometriche
sin( ) sin cos cos sin
cos( ) cos cos sin sin
tan tantan( )
1 tan tan
(da cui seguono in particolare le formule di duplicazione e quelle di bisezione che si lasciano per esercizio)
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5
Alcuni sviluppi in serie2 1
3 51 1sin ( 1) + ( )
2 3 5 (2 1)
i i kke e
si k
22 41 1
cos 1 ( 1) + ( )2 2 4 (2 )
i i kke e
sk
2n 2 123 5 1 2
2
21 1 1 2tan ( 1) + (- 2lt 2)
1 3 15 (2n)
nin n
i
Be
i e
sin 2 41 11
2 6e
(dove i B2n sono i numeri di Bernoulli e i egrave lrsquounitagrave immaginaria)
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6
Sviluppi inversi
a b c d2 3 4 5
2 3 4 5
a b a2 2
c a ab5 53
d a b a b ac14 3 18 42 2 2
Qualunque serie convergente del tipo
si puograve invertire come
dove
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7
Sviluppi inversi di sin e tan
sin sin sin sin1
6
3
40
5
1123 5 7
tan tan tan tan1
3
1
5
1
73 5 7
Da queste formula vediamo che le differenze prime tra le funzioni sin tan e larco sono quantitagrave del terzo grado (e segno opposto) mentre la funzione cos differisce da 1 per un termine del secondo grado Dunque quando gli angoli sono molto piccoli egrave legittimo confondere larco con sin oppure con tan e con minor precisione porre cos = 1 Quando poi approssimiamo larco con sin (oppure con tan ) la funzione restituisce il valore dellarco in radianti Per ottenere secondi darco moltiplichiamo il valore in radianti per R = 20620648 Ad es se sin = 000141 allora 000141x2062648 = 29083
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8
Esempi pratici - 1Esempio si voglia determinare il massimo valore di per cui
tan 1
Si scriva tan
3
3
1
206264 8
3 3 2062648 002441 R 5034 9 1 24
Oppure se il limite delle misure o dei calcoli fosse 001 saragrave lecito porre = Rsin nella condizione (valida per la tangente e a fortiori per il seno)
2
0013
32( )
001( )3
R
1000
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9
Esempi pratici - 2
Si supponga di usare come minimo incremento il valore = 50rdquo = 000024 rad Il quadrato dellrsquoincremento egrave 2 = 000024x50rdquo = 0rdquo012 (nota arcsec non arcsec quadrati) Tenendo in considerazione lrsquoampiezza delle derivate vediamo che se ci arrestiamo al primo termine otteniamo la funzione con una precisione di pochi centesimi di secondo drsquoarco se ci bastasse una precisione di pochi decimi di arcsec allora potremmo aumentare lrsquoincremento a 150rdquo e cosigrave via Queste considerazioni sono importanti quando si derivano i valori degli angoli dagli sviluppi in serie delle funzioni trigonometriche Per esempio vicino a 0deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul cos mentre vicino a 90deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul sin
Un altro esempio importante egrave il calcolo di uno sviluppo in serie di Taylor usando piccoli incrementi finiti
22
2
d 1 d( )
d 2 d
f ff
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10
Unrsquoimportante equazione trascendente
Lagrange usando appunto le espressioni complesse dimostrograve che
tan tanx m y
1
1
m
mq
x y q yq
yq
yq
y sin sin sin sin22
43
64
82 3 4
Mediante le espressioni complesse delle funzioni trigonometriche possiamo risolvere limportante equazione trascendente
Poniamo
(m gt 0)
(|q| lt 1)
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11
Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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12
I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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13
I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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14
I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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15
Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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16
Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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17
I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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18
I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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19
Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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20
Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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21
Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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22
Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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23
Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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25
VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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26
Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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27
Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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29
Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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3
Ore minuti e secondi come angoli
Si faccia attenzione alluso astronomico ma anche geografico di utilizzare unitagrave di angolo che hanno lo stesso nome di unitagrave di tempo
24h = 360deg = 2π rad 1h = 15deg asymp 026179935 radianti 4m = 1deg asymp 0017453292 radianti1s = 15rdquoasymp 0000072722 radianti
Egrave solo grazie alla (quasi) regolare rotazione della Terra che gli angoli dei corpi celesti rispetto al meridiano possono essere usati anche per misurare il passare del tempo
ma i due concetti non devono essere confusi
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4
Alcune formule trigonometriche
sin( ) sin cos cos sin
cos( ) cos cos sin sin
tan tantan( )
1 tan tan
(da cui seguono in particolare le formule di duplicazione e quelle di bisezione che si lasciano per esercizio)
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Alcuni sviluppi in serie2 1
3 51 1sin ( 1) + ( )
2 3 5 (2 1)
i i kke e
si k
22 41 1
cos 1 ( 1) + ( )2 2 4 (2 )
i i kke e
sk
2n 2 123 5 1 2
2
21 1 1 2tan ( 1) + (- 2lt 2)
1 3 15 (2n)
nin n
i
Be
i e
sin 2 41 11
2 6e
(dove i B2n sono i numeri di Bernoulli e i egrave lrsquounitagrave immaginaria)
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6
Sviluppi inversi
a b c d2 3 4 5
2 3 4 5
a b a2 2
c a ab5 53
d a b a b ac14 3 18 42 2 2
Qualunque serie convergente del tipo
si puograve invertire come
dove
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7
Sviluppi inversi di sin e tan
sin sin sin sin1
6
3
40
5
1123 5 7
tan tan tan tan1
3
1
5
1
73 5 7
Da queste formula vediamo che le differenze prime tra le funzioni sin tan e larco sono quantitagrave del terzo grado (e segno opposto) mentre la funzione cos differisce da 1 per un termine del secondo grado Dunque quando gli angoli sono molto piccoli egrave legittimo confondere larco con sin oppure con tan e con minor precisione porre cos = 1 Quando poi approssimiamo larco con sin (oppure con tan ) la funzione restituisce il valore dellarco in radianti Per ottenere secondi darco moltiplichiamo il valore in radianti per R = 20620648 Ad es se sin = 000141 allora 000141x2062648 = 29083
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8
Esempi pratici - 1Esempio si voglia determinare il massimo valore di per cui
tan 1
Si scriva tan
3
3
1
206264 8
3 3 2062648 002441 R 5034 9 1 24
Oppure se il limite delle misure o dei calcoli fosse 001 saragrave lecito porre = Rsin nella condizione (valida per la tangente e a fortiori per il seno)
2
0013
32( )
001( )3
R
1000
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9
Esempi pratici - 2
Si supponga di usare come minimo incremento il valore = 50rdquo = 000024 rad Il quadrato dellrsquoincremento egrave 2 = 000024x50rdquo = 0rdquo012 (nota arcsec non arcsec quadrati) Tenendo in considerazione lrsquoampiezza delle derivate vediamo che se ci arrestiamo al primo termine otteniamo la funzione con una precisione di pochi centesimi di secondo drsquoarco se ci bastasse una precisione di pochi decimi di arcsec allora potremmo aumentare lrsquoincremento a 150rdquo e cosigrave via Queste considerazioni sono importanti quando si derivano i valori degli angoli dagli sviluppi in serie delle funzioni trigonometriche Per esempio vicino a 0deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul cos mentre vicino a 90deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul sin
Un altro esempio importante egrave il calcolo di uno sviluppo in serie di Taylor usando piccoli incrementi finiti
22
2
d 1 d( )
d 2 d
f ff
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10
Unrsquoimportante equazione trascendente
Lagrange usando appunto le espressioni complesse dimostrograve che
tan tanx m y
1
1
m
mq
x y q yq
yq
yq
y sin sin sin sin22
43
64
82 3 4
Mediante le espressioni complesse delle funzioni trigonometriche possiamo risolvere limportante equazione trascendente
Poniamo
(m gt 0)
(|q| lt 1)
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11
Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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12
I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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13
I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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14
I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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15
Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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16
Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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17
I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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18
I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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19
Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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20
Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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21
Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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22
Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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23
Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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25
VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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26
Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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27
Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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28
Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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29
Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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32
Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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33
Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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34
Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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35
Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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4
Alcune formule trigonometriche
sin( ) sin cos cos sin
cos( ) cos cos sin sin
tan tantan( )
1 tan tan
(da cui seguono in particolare le formule di duplicazione e quelle di bisezione che si lasciano per esercizio)
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5
Alcuni sviluppi in serie2 1
3 51 1sin ( 1) + ( )
2 3 5 (2 1)
i i kke e
si k
22 41 1
cos 1 ( 1) + ( )2 2 4 (2 )
i i kke e
sk
2n 2 123 5 1 2
2
21 1 1 2tan ( 1) + (- 2lt 2)
1 3 15 (2n)
nin n
i
Be
i e
sin 2 41 11
2 6e
(dove i B2n sono i numeri di Bernoulli e i egrave lrsquounitagrave immaginaria)
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6
Sviluppi inversi
a b c d2 3 4 5
2 3 4 5
a b a2 2
c a ab5 53
d a b a b ac14 3 18 42 2 2
Qualunque serie convergente del tipo
si puograve invertire come
dove
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7
Sviluppi inversi di sin e tan
sin sin sin sin1
6
3
40
5
1123 5 7
tan tan tan tan1
3
1
5
1
73 5 7
Da queste formula vediamo che le differenze prime tra le funzioni sin tan e larco sono quantitagrave del terzo grado (e segno opposto) mentre la funzione cos differisce da 1 per un termine del secondo grado Dunque quando gli angoli sono molto piccoli egrave legittimo confondere larco con sin oppure con tan e con minor precisione porre cos = 1 Quando poi approssimiamo larco con sin (oppure con tan ) la funzione restituisce il valore dellarco in radianti Per ottenere secondi darco moltiplichiamo il valore in radianti per R = 20620648 Ad es se sin = 000141 allora 000141x2062648 = 29083
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Esempi pratici - 1Esempio si voglia determinare il massimo valore di per cui
tan 1
Si scriva tan
3
3
1
206264 8
3 3 2062648 002441 R 5034 9 1 24
Oppure se il limite delle misure o dei calcoli fosse 001 saragrave lecito porre = Rsin nella condizione (valida per la tangente e a fortiori per il seno)
2
0013
32( )
001( )3
R
1000
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Esempi pratici - 2
Si supponga di usare come minimo incremento il valore = 50rdquo = 000024 rad Il quadrato dellrsquoincremento egrave 2 = 000024x50rdquo = 0rdquo012 (nota arcsec non arcsec quadrati) Tenendo in considerazione lrsquoampiezza delle derivate vediamo che se ci arrestiamo al primo termine otteniamo la funzione con una precisione di pochi centesimi di secondo drsquoarco se ci bastasse una precisione di pochi decimi di arcsec allora potremmo aumentare lrsquoincremento a 150rdquo e cosigrave via Queste considerazioni sono importanti quando si derivano i valori degli angoli dagli sviluppi in serie delle funzioni trigonometriche Per esempio vicino a 0deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul cos mentre vicino a 90deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul sin
Un altro esempio importante egrave il calcolo di uno sviluppo in serie di Taylor usando piccoli incrementi finiti
22
2
d 1 d( )
d 2 d
f ff
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10
Unrsquoimportante equazione trascendente
Lagrange usando appunto le espressioni complesse dimostrograve che
tan tanx m y
1
1
m
mq
x y q yq
yq
yq
y sin sin sin sin22
43
64
82 3 4
Mediante le espressioni complesse delle funzioni trigonometriche possiamo risolvere limportante equazione trascendente
Poniamo
(m gt 0)
(|q| lt 1)
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11
Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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12
I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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13
I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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14
I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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15
Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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16
Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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17
I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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18
I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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19
Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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20
Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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21
Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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22
Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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23
Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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25
VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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26
Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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27
Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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29
Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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33
Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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35
Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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5
Alcuni sviluppi in serie2 1
3 51 1sin ( 1) + ( )
2 3 5 (2 1)
i i kke e
si k
22 41 1
cos 1 ( 1) + ( )2 2 4 (2 )
i i kke e
sk
2n 2 123 5 1 2
2
21 1 1 2tan ( 1) + (- 2lt 2)
1 3 15 (2n)
nin n
i
Be
i e
sin 2 41 11
2 6e
(dove i B2n sono i numeri di Bernoulli e i egrave lrsquounitagrave immaginaria)
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6
Sviluppi inversi
a b c d2 3 4 5
2 3 4 5
a b a2 2
c a ab5 53
d a b a b ac14 3 18 42 2 2
Qualunque serie convergente del tipo
si puograve invertire come
dove
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7
Sviluppi inversi di sin e tan
sin sin sin sin1
6
3
40
5
1123 5 7
tan tan tan tan1
3
1
5
1
73 5 7
Da queste formula vediamo che le differenze prime tra le funzioni sin tan e larco sono quantitagrave del terzo grado (e segno opposto) mentre la funzione cos differisce da 1 per un termine del secondo grado Dunque quando gli angoli sono molto piccoli egrave legittimo confondere larco con sin oppure con tan e con minor precisione porre cos = 1 Quando poi approssimiamo larco con sin (oppure con tan ) la funzione restituisce il valore dellarco in radianti Per ottenere secondi darco moltiplichiamo il valore in radianti per R = 20620648 Ad es se sin = 000141 allora 000141x2062648 = 29083
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8
Esempi pratici - 1Esempio si voglia determinare il massimo valore di per cui
tan 1
Si scriva tan
3
3
1
206264 8
3 3 2062648 002441 R 5034 9 1 24
Oppure se il limite delle misure o dei calcoli fosse 001 saragrave lecito porre = Rsin nella condizione (valida per la tangente e a fortiori per il seno)
2
0013
32( )
001( )3
R
1000
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9
Esempi pratici - 2
Si supponga di usare come minimo incremento il valore = 50rdquo = 000024 rad Il quadrato dellrsquoincremento egrave 2 = 000024x50rdquo = 0rdquo012 (nota arcsec non arcsec quadrati) Tenendo in considerazione lrsquoampiezza delle derivate vediamo che se ci arrestiamo al primo termine otteniamo la funzione con una precisione di pochi centesimi di secondo drsquoarco se ci bastasse una precisione di pochi decimi di arcsec allora potremmo aumentare lrsquoincremento a 150rdquo e cosigrave via Queste considerazioni sono importanti quando si derivano i valori degli angoli dagli sviluppi in serie delle funzioni trigonometriche Per esempio vicino a 0deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul cos mentre vicino a 90deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul sin
Un altro esempio importante egrave il calcolo di uno sviluppo in serie di Taylor usando piccoli incrementi finiti
22
2
d 1 d( )
d 2 d
f ff
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10
Unrsquoimportante equazione trascendente
Lagrange usando appunto le espressioni complesse dimostrograve che
tan tanx m y
1
1
m
mq
x y q yq
yq
yq
y sin sin sin sin22
43
64
82 3 4
Mediante le espressioni complesse delle funzioni trigonometriche possiamo risolvere limportante equazione trascendente
Poniamo
(m gt 0)
(|q| lt 1)
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
11
Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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13
I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
14
I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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6
Sviluppi inversi
a b c d2 3 4 5
2 3 4 5
a b a2 2
c a ab5 53
d a b a b ac14 3 18 42 2 2
Qualunque serie convergente del tipo
si puograve invertire come
dove
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7
Sviluppi inversi di sin e tan
sin sin sin sin1
6
3
40
5
1123 5 7
tan tan tan tan1
3
1
5
1
73 5 7
Da queste formula vediamo che le differenze prime tra le funzioni sin tan e larco sono quantitagrave del terzo grado (e segno opposto) mentre la funzione cos differisce da 1 per un termine del secondo grado Dunque quando gli angoli sono molto piccoli egrave legittimo confondere larco con sin oppure con tan e con minor precisione porre cos = 1 Quando poi approssimiamo larco con sin (oppure con tan ) la funzione restituisce il valore dellarco in radianti Per ottenere secondi darco moltiplichiamo il valore in radianti per R = 20620648 Ad es se sin = 000141 allora 000141x2062648 = 29083
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8
Esempi pratici - 1Esempio si voglia determinare il massimo valore di per cui
tan 1
Si scriva tan
3
3
1
206264 8
3 3 2062648 002441 R 5034 9 1 24
Oppure se il limite delle misure o dei calcoli fosse 001 saragrave lecito porre = Rsin nella condizione (valida per la tangente e a fortiori per il seno)
2
0013
32( )
001( )3
R
1000
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9
Esempi pratici - 2
Si supponga di usare come minimo incremento il valore = 50rdquo = 000024 rad Il quadrato dellrsquoincremento egrave 2 = 000024x50rdquo = 0rdquo012 (nota arcsec non arcsec quadrati) Tenendo in considerazione lrsquoampiezza delle derivate vediamo che se ci arrestiamo al primo termine otteniamo la funzione con una precisione di pochi centesimi di secondo drsquoarco se ci bastasse una precisione di pochi decimi di arcsec allora potremmo aumentare lrsquoincremento a 150rdquo e cosigrave via Queste considerazioni sono importanti quando si derivano i valori degli angoli dagli sviluppi in serie delle funzioni trigonometriche Per esempio vicino a 0deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul cos mentre vicino a 90deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul sin
Un altro esempio importante egrave il calcolo di uno sviluppo in serie di Taylor usando piccoli incrementi finiti
22
2
d 1 d( )
d 2 d
f ff
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10
Unrsquoimportante equazione trascendente
Lagrange usando appunto le espressioni complesse dimostrograve che
tan tanx m y
1
1
m
mq
x y q yq
yq
yq
y sin sin sin sin22
43
64
82 3 4
Mediante le espressioni complesse delle funzioni trigonometriche possiamo risolvere limportante equazione trascendente
Poniamo
(m gt 0)
(|q| lt 1)
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Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Sviluppi inversi di sin e tan
sin sin sin sin1
6
3
40
5
1123 5 7
tan tan tan tan1
3
1
5
1
73 5 7
Da queste formula vediamo che le differenze prime tra le funzioni sin tan e larco sono quantitagrave del terzo grado (e segno opposto) mentre la funzione cos differisce da 1 per un termine del secondo grado Dunque quando gli angoli sono molto piccoli egrave legittimo confondere larco con sin oppure con tan e con minor precisione porre cos = 1 Quando poi approssimiamo larco con sin (oppure con tan ) la funzione restituisce il valore dellarco in radianti Per ottenere secondi darco moltiplichiamo il valore in radianti per R = 20620648 Ad es se sin = 000141 allora 000141x2062648 = 29083
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8
Esempi pratici - 1Esempio si voglia determinare il massimo valore di per cui
tan 1
Si scriva tan
3
3
1
206264 8
3 3 2062648 002441 R 5034 9 1 24
Oppure se il limite delle misure o dei calcoli fosse 001 saragrave lecito porre = Rsin nella condizione (valida per la tangente e a fortiori per il seno)
2
0013
32( )
001( )3
R
1000
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Esempi pratici - 2
Si supponga di usare come minimo incremento il valore = 50rdquo = 000024 rad Il quadrato dellrsquoincremento egrave 2 = 000024x50rdquo = 0rdquo012 (nota arcsec non arcsec quadrati) Tenendo in considerazione lrsquoampiezza delle derivate vediamo che se ci arrestiamo al primo termine otteniamo la funzione con una precisione di pochi centesimi di secondo drsquoarco se ci bastasse una precisione di pochi decimi di arcsec allora potremmo aumentare lrsquoincremento a 150rdquo e cosigrave via Queste considerazioni sono importanti quando si derivano i valori degli angoli dagli sviluppi in serie delle funzioni trigonometriche Per esempio vicino a 0deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul cos mentre vicino a 90deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul sin
Un altro esempio importante egrave il calcolo di uno sviluppo in serie di Taylor usando piccoli incrementi finiti
22
2
d 1 d( )
d 2 d
f ff
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Unrsquoimportante equazione trascendente
Lagrange usando appunto le espressioni complesse dimostrograve che
tan tanx m y
1
1
m
mq
x y q yq
yq
yq
y sin sin sin sin22
43
64
82 3 4
Mediante le espressioni complesse delle funzioni trigonometriche possiamo risolvere limportante equazione trascendente
Poniamo
(m gt 0)
(|q| lt 1)
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Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
34
Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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8
Esempi pratici - 1Esempio si voglia determinare il massimo valore di per cui
tan 1
Si scriva tan
3
3
1
206264 8
3 3 2062648 002441 R 5034 9 1 24
Oppure se il limite delle misure o dei calcoli fosse 001 saragrave lecito porre = Rsin nella condizione (valida per la tangente e a fortiori per il seno)
2
0013
32( )
001( )3
R
1000
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9
Esempi pratici - 2
Si supponga di usare come minimo incremento il valore = 50rdquo = 000024 rad Il quadrato dellrsquoincremento egrave 2 = 000024x50rdquo = 0rdquo012 (nota arcsec non arcsec quadrati) Tenendo in considerazione lrsquoampiezza delle derivate vediamo che se ci arrestiamo al primo termine otteniamo la funzione con una precisione di pochi centesimi di secondo drsquoarco se ci bastasse una precisione di pochi decimi di arcsec allora potremmo aumentare lrsquoincremento a 150rdquo e cosigrave via Queste considerazioni sono importanti quando si derivano i valori degli angoli dagli sviluppi in serie delle funzioni trigonometriche Per esempio vicino a 0deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul cos mentre vicino a 90deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul sin
Un altro esempio importante egrave il calcolo di uno sviluppo in serie di Taylor usando piccoli incrementi finiti
22
2
d 1 d( )
d 2 d
f ff
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10
Unrsquoimportante equazione trascendente
Lagrange usando appunto le espressioni complesse dimostrograve che
tan tanx m y
1
1
m
mq
x y q yq
yq
yq
y sin sin sin sin22
43
64
82 3 4
Mediante le espressioni complesse delle funzioni trigonometriche possiamo risolvere limportante equazione trascendente
Poniamo
(m gt 0)
(|q| lt 1)
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Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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12
I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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13
I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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14
I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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15
Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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17
I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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18
I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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19
Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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20
Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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22
Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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23
Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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35
Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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9
Esempi pratici - 2
Si supponga di usare come minimo incremento il valore = 50rdquo = 000024 rad Il quadrato dellrsquoincremento egrave 2 = 000024x50rdquo = 0rdquo012 (nota arcsec non arcsec quadrati) Tenendo in considerazione lrsquoampiezza delle derivate vediamo che se ci arrestiamo al primo termine otteniamo la funzione con una precisione di pochi centesimi di secondo drsquoarco se ci bastasse una precisione di pochi decimi di arcsec allora potremmo aumentare lrsquoincremento a 150rdquo e cosigrave via Queste considerazioni sono importanti quando si derivano i valori degli angoli dagli sviluppi in serie delle funzioni trigonometriche Per esempio vicino a 0deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul cos mentre vicino a 90deg lrsquoerrore sullrsquoangolo puograve essere molto maggiore dellrsquoerrore sul sin
Un altro esempio importante egrave il calcolo di uno sviluppo in serie di Taylor usando piccoli incrementi finiti
22
2
d 1 d( )
d 2 d
f ff
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10
Unrsquoimportante equazione trascendente
Lagrange usando appunto le espressioni complesse dimostrograve che
tan tanx m y
1
1
m
mq
x y q yq
yq
yq
y sin sin sin sin22
43
64
82 3 4
Mediante le espressioni complesse delle funzioni trigonometriche possiamo risolvere limportante equazione trascendente
Poniamo
(m gt 0)
(|q| lt 1)
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11
Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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12
I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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13
I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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14
I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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15
Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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16
Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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17
I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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18
I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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19
Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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20
Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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22
Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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23
Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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25
VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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27
Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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29
Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
10
Unrsquoimportante equazione trascendente
Lagrange usando appunto le espressioni complesse dimostrograve che
tan tanx m y
1
1
m
mq
x y q yq
yq
yq
y sin sin sin sin22
43
64
82 3 4
Mediante le espressioni complesse delle funzioni trigonometriche possiamo risolvere limportante equazione trascendente
Poniamo
(m gt 0)
(|q| lt 1)
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
11
Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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12
I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Lo sviluppo in serie binomiale - 1Dato un numero reale qualunque m si ha
2 3
2
0
( 1) ( 1)( 2)(1 ) 1
2 3
1 ( 1)1 2
m
n
m m m m mx mx x x
m m mx x x x
n
( 1) ( 1)
m m m m m k
k m k k
in cui si egrave usata la notazione abbreviata
e in cui 10
m m
m
1 2 2 31 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
In particolare
2 1 2 2 4 61 1 3 1 3 5(1 ) 1
2 2 4 2 4 6x x x x
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I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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I triangoli piani - 1Consideriamo ora un triangolo piano avente vertici A B C lati a b c (perimetro 2s = a+b+c) e angoli opposti ai lati Ersquo ben noto che
In generale la conoscenza di 3 elementi egrave sufficiente per trovare gli altri 3 con la notevole eccezione
dati i 3 angoli i 3 lati non sono univocamente determinati (mentre dati i 3 lati i 3 angoli sono univocamente determinati)
Cioegrave la conoscenza di due angoli egrave sufficiente per determinare il terzo
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I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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I triangoli piani - 2
sin sin sin a b c R
1
2
Utili relazioni sono
(Legge dei seni in cui R egrave il raggio del cerchio circoscritto)
a b c bc2 2 2 2 cos (Legge del coseno)
tan2
tan2
a b
a b
(legge delle tangenti)tan tan tan tan tan tan
1 1 1sin sin sin 4cos cos cos
2 2 21 1 1
cos cos cos 4sin sin sin 12 2 2
sin 2 sin 2 sin 2 4sin sin sin
1 1 1 1 1 1tan tan tan tan tan tan 1
2 2 2 2 2 2a
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I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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I triangoli piani - 3
K sr bc cabc
R
1
2 2 22sin
sin sin
sin
egrave lrsquoarea
sin( )( )
2
s b s c
bccos
( )2
s s a
bc
( )( )tan
2 ( )
s b s c r
s s a s a
(note come formule di Brigg) in cui
( )( )( )s a s b s cr
s
egrave il raggio del cerchio inscritto
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Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
Riprendiamo la formula del coseno a b c bc2 2 2 2 cos
che scriviamo come2
2 22
2 cos1
b bca c
c
Supponiamo che sia bc ltlt 1 per cui possiamo trascurare (bc)2
Poniamo allora bcos = x Siccome sia a che c sono quantitagrave positive avremo dallo sviluppo in serie binomiale
2 2 3 2
2 3
1 1 1 1 (3 ) (5 3 )1
2 221
x x b x xb
a c c c c cxc
che useremo varie volte nel seguito
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Elementi di trigonometria sferica La trigonometria sferica trova le sue origini nel mondo greco con Ipparco di Nicea (circa 180 BC) and poi con Claudio Tolomeo (II secolo DC) Nel XIX secolo Carl F Gauss mise in forma sistematica le relazioni che verranno qui usate - La sfera egrave il luogo nello spazio 3D cartesiano dei punti che hanno la stessa distanza R da un dato centro O - La sua superficie egrave dunque finita ma illimitata - Ogni piano passante per il centro definisce sulla sfera un cerchio massimo di raggio R consideriamo uno di questi come piano equatoriale La retta passante per O e perpendicolare al piano equatoriale definisce sulla sfera due punti che sono i poli del cerchio massimo - Poniamo ora R = 1 in modo che lrsquoarea sulla superficie si possa esprimere in steradianti o in unitagrave pratiche gradi quadrati - Lrsquoarea di tutta la sfera egrave allora
4 sr = 4 (3602) 2 = 129600 asymp 4125296125 gradi quadrati
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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18
I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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19
Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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20
Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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23
Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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25
VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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I triangoli sferici -1
Tre cerchi massimi dividono la sfera in 8 porzioni chiameremo triangolo sferico quella parte i cui lati sono tutti minori di cioegrave quella parte contenuta tutta in un emisfero (NB tra 0 e lrsquoarccos egrave a
valore singolo lrsquoarcsin no)
Si usa indicare i vertici con le lettere maiuscole ABC e i lati con le lettere minuscole a b c corrispondenti al vertice opposto Langolo nel vertice A o B o C si indica con la stessa lettera del vertice ma in corsivo A B C
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I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
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tx j z
d
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d
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d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
35
Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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18
I triangoli sferici -2
1 Sulla sfera di raggio unitario larco di cerchio massimo KH ha lunghezza pari allangolo al centro KOH oppure allangolo al polo KPH = KPH
2 Il triangolo sferico egrave fatto dunque di 3 archi massimi ad es HK non egrave lato di un triangolo sferico e anzi la distanza tra H e K misurata sul parallelo egrave sempre maggiore di quella misurata sul cerchio massimo
3 Un triangolo sferico puograve avere tutti e tre gli angoli retti
4 In generale 0 lt a + b + c lt 2 lt A + B + C lt3
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19
Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
20
Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
21
Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
22
Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
23
Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
25
VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
26
Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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27
Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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28
Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
32
Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Geodesica sulla sferaSi noti che crsquoegrave un solo circolo massimo che colleghi due punti sulla sfera (a meno che i punti non siano diametralmente opposti) ma infiniti cerchi minori la distanza angolare tra i due punti egrave allora univocamente definita solo lungo il cerchio massimo e si puograve dimostrare che egrave anzi il percorso di lunghezza minima che li colleghi Si usa dire allora che lrsquoarco di cerchio massimo egrave la geodesica tra i due punti sulla sfera cosigrave come la linea retta lo egrave per due punti nello spazio euclideo
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
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sin
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Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
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d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
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d
d
d
ai j k
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a
t
a
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d
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d
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b
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dt t t( )a b
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b
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
33
Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
34
Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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35
Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Relazioni di Gausscos cos cos sin sin cosa b c b c A
sin cos cos sin sin cos cosa B b c b c A
sin
sin
sin
sin
sin
sin
A
a
B
b
C
c
cos cos sin cot sin cota C a b C B cos cos cos sin sin cosA B C B C a
e simili permutando le lettere Dunque in un triangolo sferico i 3 lati sono determinati univocamente dai 3 angoli una proprietagrave non presente nei triangoli piani Un altro modo di esprimere lo stesso concetto non crsquoegrave bisogno di uscire dalla superficie della Terra per misurarne la curvatura (e con le opportune modifiche dallrsquoUniverso)
(legge dei seni)
(legge dei coseni)
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21
Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
22
Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
23
Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
25
VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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26
Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
27
Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
28
Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
29
Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
32
Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
33
Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
34
Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Eccesso sferico e area del triangolo
In un triangolo sferico si dice eccesso sferico la quantitagrave
A B C
In un generico triangolo sferico si ha la relazione
sin sin2 2
tan2
sin sin2 2
Aa
B C
Lrsquoarea del triangolo sulla sfera di raggio unitario vale proprio sr e quella sulla sfera di raggio R vale
2 ( )K R A B C
e simili per b and c
nelle stesse unitagrave di R2
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Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
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23
Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
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24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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25
VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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35
Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
22
Triangoli sferici quasi-piani Intuitivamente quando i lati del triangolo sferico sono molto piccoli in confronto con il raggio della sfera si puograve ricorrere alla approssimazione di un triangolo piano sul piano tangente alla sfera Per una migliore approssimazione Legendre ha dimostrato che un piccolissimo triangolo sferico egrave equivalente a un triangolo piano avente gli stessi lati a b c e angoli
A 3 B 3 C 3
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
23
Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
rr r
R
S|||
T|||
cos
sin
cos
Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
25
VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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26
Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
27
Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
28
Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
29
Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
32
Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
33
Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
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1
206265
1
6
3
a
461532
357
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1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Coordinate cartesiane e polariNelle applicazioni astronomiche in cui siano note le distanze allastro useremo sia sistemi di riferimento cartesiani (x y z) che sistemi di riferimento polari sferici (r ) a seconda della convenienza
x r
y r
z r
RS|T|
cos cos
cos sin
sin
d d d d
d d d
d d d
xx
rr z y
yy
rr z
zz
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R
S|||
T|||
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Le trasformazioni da polari a cartesiane sono
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
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Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
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d
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dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
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1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
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1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
24
Da cartesiane a polari
2 2 2
arctan
arcsin
yr
xz
rr
r x y z
d cos cos d cos sin d sin d
d sin cos d sin sin d cos d
cos d sin d cos d
r x y z
r x y z
r x y
Le trasformazioni inverse sono
Abbiamo dato anche lespressioni dei differenziali che sono utili per valutare sia leffetto di piccoli incrementi che di errori di misure (e in tal caso conviene usare i moduli per massimizzare la stima dellerrore)
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
32
Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
33
Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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VettoriIl calcolo vettoriale egrave utilissimo nel caso del Sistema Solare percheacute le distanze possono essere accuratamente determinate ma trova impiego anche in problemi legati alla sfera celeste in generale Siano ijk i vettori unitari lungo (xyz) la posizione del punto H sulla sfera unitaria
puograve essere rappresentata dal vettore unitario rH
( ) ( )x y z x y z H Hr r i j k
e con riferimento alle coordinate angolari ( ) saragrave cos cosx
sin cosy sinz
H
cos cos
ˆ ( ) sin cos
sin
x y z
r
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
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ai j k
t
a
t
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d
d
d
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dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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33
Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Operazioni sui vettori - 1
( ) ( ) ( )x x y y z za b a b a b c a b i j k
( ) d a b a b
c a b b a a b c a b c ( ) ( )Proprietagrave associativa e commutativa della somma
cos x x y y z zc ab a b a b a b a b b a
Il prodotto scalare tra due vettori egrave il numero c dato da
Dati due vettori a b la loro somma egrave il vettore c dato da
Il vettore differenza d egrave
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
27
Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
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d
dt t t( )a b
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18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
29
Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
32
Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
33
Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Operazioni sui vettori - 2
( )
sin
y z z y z x x z x y y xa b a b a b a b a b a b
ab
c a b a b
uc a b
i j k
a a a
b b bx y z
x y z
Il prodotto vettoriale egrave il vettore
c a b b a a (b c) a b a c
Il prodotto vettoriale gode della proprietagrave associativa ma non di quella commutativa
Il prodotto vettoriale si usa anche per definire il momento di una forza F consideriamo un punto qualunque O e una forza F la cui direzione non passi per O Si conduca da O un vettore r a un punto qualunque lungo la direzione di F Il momento di F rispetto a O egrave il vettore K
( sin )rF K r F k
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
tx j z
d
d
d
d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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30
Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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31
Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
32
Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
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a
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357
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1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
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)(8206264
)()()(
n
nn aa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Operazioni sui vettori - 3
In Dinamica e in Meccanica Celeste si usa spesso (ma non sempre) indicare le derivate prime e seconde di un vettore nella seguente maniera
d
d
aa
t d
d
d
d
2
2
a aa
t t
Un vettore puograve essere derivato e integrato
d
d
d
d
d
d
d
d
ai j k
t
a
t
a
t
a
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d
d
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d
d
dt t t( )a b b
aa
b
d
d
d
d
d
dt t t( )a b
ab a
b
a i j k( ) ( ) ( ) ( )t t a t t a t t a t tx y xd d d dz z z z
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
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1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Operazioni sui vettori - 4E importante ricordare che non tutte le entitagrave specificate da un modulo e da una direzione sono vettori bona fide La legge di composizione e la proprietagrave commutativa sono anche elementi essenziali per la definizione di vettore In particolare rotazioni angolari finite di un corpo rigido non sono vettori percheacute non obbediscono alla proprietagrave commutativa Tuttavia rotazioni infinitesime e dunque anche le velocitagrave angolari sono davvero vettori Incontreremo poi vettori r riferiti a un sistema di coordinate ruotante con velocitagrave angolare rispetto a un riferimento inerziale La derivata totale di r rispetto agli assi inerziali saragrave
inerziale relativa r r ω r
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
33
Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
34
Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
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1sen 253 aaaaaa
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15
2
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1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
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Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
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)()()(
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
Dunque allrsquoepoca presente il baricentro B del sistema solare egrave apprezzabilmente esterno al disco del Sole Il pianeta di gran lunga dominante in queste considerazioni egrave Giove la cui massa egrave circa 11000 della massa del Sole Intervengono poi Saturno Venere la Terra e gli altri pianeti
Questo esempio verragrave illustrato con maggior dettaglio in seguito ma qui si vuole dare unidea delle distanze coinvolte Si ricordino i seguenti valori approssimati - il raggio del Sole egrave 7x105 km- 1 Unitagrave Astronomica egrave pari a 15x108 km = 200 raggi solari
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
c
Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
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Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
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Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
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a)8206264(
)( 1
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
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Che trasformazioni applicare
Come si egrave accennato le trasformazioni tra i vari sistemi di riferimento che tra poco introdurremo sono delle roto-traslazioni rigide Ne vedremo vari esempi
Tuttavia nelle trasformazioni tra riferimenti in moto relativo puograve intervenire la velocitagrave finita della luce a alterare le direzioni apparenti degli astri
Quando poi dovremo trasformare sistemi di riferimento di velocitagrave e di accelerazione (derivate prime e seconde delle posizioni rispetto al tempo) sorgeragrave una ulteriore difficoltagrave- le derivate vanno fatte rispetto al tempo e allora quale tempo si deve usare Ne daremo varie definizioni operative
Approfondiremo questi concetti dopo aver trattato i vari sistemi di riferimento
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
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B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
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Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
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Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
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Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
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Esercizio svolto nr 1Area del triangolo sferico per 3 stelleLe coordinate di 3 stelle in un generico riferimento sferico sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (1deg 0deg) ()C = (1deg 1deg)
Ricavare gli elementi e lrsquoarea del triangolo Ripetere lrsquoesercizio se le coordinate sono ()A = (0deg 0deg) ()B = (15deg 0deg) ()C = (15deg 45deg)
Nel primo caso il triangolo ha lati sufficientemente piccoli da potersi considerare piano con angolo retto nel secondo vertice Pertanto lrsquoarea saragrave A = frac12 gradi quadrati = 12x10 -5 srNel secondo caso invece il triangolo deve essere considerato completamente sferico Due lati valgono rispettivamente a = 15deg e b = 45deg mentre lrsquoangolo in B egrave retto Ricaviamo il lato c che passa per A e per C c = 46deg9205 sin c = 0703406Dalla formula dei seni
sin 0707107sin 0968100
sin 0730406
bB
c
B = 75deg489 A = 20deg754
sin 0258819sin 0354352
sin 0730406
aA
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Vediamo facilmente che lrsquoeccesso sferico egrave pari a = 6deg24 cioegrave lrsquoarea egrave pari a 180 = 0109 sr
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
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Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
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Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
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Esercizio svolto nr 2Completiamo lrsquoesercizio calcolando lrsquoarea del triangolo sferico per A B e il polo In tal caso il lato b e il lato c divengono di 90deg come pure gli angoli A e B Lrsquoangolo al polo egrave 15deg per cui lrsquoarea del triangolo sferico sta allrsquoarea della semi-volta celeste come 15360 = 004 e dunque lrsquoarea vale 004x2 = 0262 srDa un altro punto di vista se dividiamo la sfera in 24 fusi orari ciascun fuso ha unrsquoarea di 424 = 0524 sr e dunque il triangolo dallrsquoequatore verso il Polo ha metagrave di questo Per differenza ricaviamo anche che lrsquoarea PAC vale 0262 ndash 0109 = 0153 srLo si dimostri direttamente
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
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Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
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Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
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- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
-
18042005 C Barbieri Astronomia I AA2004-05
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Esercizio svolto nr 3ricordiamo gli sviluppi in serie di sen e tan
)
6
11
5
1
3
1sen 253 aaaaaa
233
3
11
15
2
3
1tan aaaaaa
Quando lrsquoarco a e piccolo lerrore commesso confondendo il seno con larco e inferiore al primo termine trascurato cioegrave a quello in a3 nel caso della tangente e un po superiore al doppio di quello commesso per il seno e in senso contrario (il termine in a5 supera 001 solo a circa 5deg) Calcoliamo il valore massimo che si puograve dare ad a affincheacute lerrore sia inferiore a un limite prefissato mettiamo 1 Si avragrave
532
1
206265
1
6
3
a
461532
357
532
1max
a
Quando si puograve confondere larco con il suo seno questultima funzione restituisce il valore dellangolo in radianti Per convertirlo in secondi darco lo si moltiplica per 20620648 Se ad es sena = 000141 se ne conclude che a = 000141x2062648 = 29083 Dunque si ha
8206264
aa n
nn a
a)8206264(
)( 1
1
)(8206264
)()()(
n
nn aa
aaa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
- Elementi di trigonometria piana
- Ore minuti e secondi come angoli
- Alcune formule trigonometriche
- Alcuni sviluppi in serie
- Sviluppi inversi
- Sviluppi inversi di sin e tan
- Esempi pratici - 1
- Esempi pratici - 2
- Unrsquoimportante equazione trascendente
- Lo sviluppo in serie binomiale - 1
- I triangoli piani - 1
- I triangoli piani - 2
- I triangoli piani - 3
- Una applicazione dello sviluppo in serie binomiale al triangolo piano
- Elementi di trigonometria sferica
- I triangoli sferici -1
- I triangoli sferici -2
- Geodesica sulla sfera
- Relazioni di Gauss
- Eccesso sferico e area del triangolo
- Triangoli sferici quasi-piani
- Coordinate cartesiane e polari
- Da cartesiane a polari
- Vettori
- Operazioni sui vettori - 1
- Operazioni sui vettori - 2
- Operazioni sui vettori - 3
- Operazioni sui vettori - 4
- Esempio il movimento del centro del Sole rispetto al baricentro B del sistema solare
- Che trasformazioni applicare
- Esercizio svolto nr 1
- Esercizio svolto nr 2
- Esercizio svolto nr 3
- Alcuni esercizi per casa
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Alcuni esercizi per casa
1 la Luna ha parallasse media di 342270 si esprima il seno della parallasse in secondi darco arrestandosi al secondo termine
2 sia sulla superficie terrestre a = 5000 m b = 3000 m = 40deg5 Si trovino gli altri elementi del triangolo
3 Dato il rettangolo piano con vertici A B sulla superficie della terra di lato c = 1000 km e angoli ad esso adiacenti = 87deg = 88deg si vogliano gli altri elementi del triangolo in questo caso il lato c e da intendersi come corda passante per i due vertici di base mentre il vertice C puo essere un satellite
4 Discutiamo in 2) gli effetti degli errori di misura supponendo che lerrore su c sia di 01 km e quelli sugli angoli di 1
5 Si discuta la propagazione degli errori con il tendere di entrambi verso 90deg
- Prima Settimana
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