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拉普拉斯-龙格-楞次矢量

在经典力学里,拉普拉斯-龙格-楞次矢量(简称为LRL 矢量)主要是用来描述,当一个物体环绕着另外一个物体运动时,轨道的形状与取向。典型的例子是行星的环绕着太阳公转。在一个物理系统里,假若两个物体以万有引力相互作用,则 LRL 矢量必定是一个运动常数,不管在轨道的任何位置,计算出来的 LRL 矢量都一样;也就是说, LRL 矢量是一个保守量。更广义地,在开普勒问题里,由于两个物体以有心力相互作用,而有心力遵守平方反比定律,所以,LRL 矢量是一个保守量。
在一个物理系统里,在任意保守的有心力的作用下,一个粒子的运动,都会拥有至少四个运动常数;能量与角动量L的三个分量皆为运动常数。粒子的轨道被限制于一个平面。粒子的动量P和从力中心点的位置到粒子位置的位移r。粒子的运动平面垂直于角动量L。用方程表示,LRL矢量A,也肯定地包含于粒子的运动平面。可是,只有当有心力遵守平方反比定律时,A才是常数矢量。对于别种有心力,A不是常数矢量,其大小与方向都会改变。假若有心力近似地遵守平方反比定律,则A的大小近似常数,而方向会缓慢地转动。对于所有的有心力,可以定义一个广义LRL矢量,但是,这广义矢量通常并没有解析解,假若有,也会是一个非常复杂的函数。
数学定义
平方反比有心力可以表达为 ![]()
其中,k是比例常数,
是单位矢量,r是粒子的位置矢量。
感受到此力的作用,一个粒子的轨道运动,其LRL矢量的数学定义方程为 ![]()
其中,m是粒子的质量,p是动量,L是角动量。
由于平方反比有心力为保守力,能量是运动常数:![]()
再者,角动量L也是保守的,可以决定粒子移动平面的取向。因为
与r都垂直于L,所以,LRL矢量A垂直于角动量;A包含于轨道的平面。
这个单独粒子的LRL矢量定义,也可以延伸至像开普勒问题一类的二体问题,只需要设定质量m为二个物体的约化质量,设定位置矢量r为二个物体之间的相对位置矢量。
同样的运动常数可以有很多种不同的表述.最常见的一种牵涉到离心率矢量。定义离心率矢量e为LRL矢量与mk的除商:
![]()

