Datei:3bodyproblem.gif

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3bodyproblem.gif(780 × 246 Pixel, Dateigröße: 1,56 MB, MIME-Typ: image/gif, Endlosschleife, 201 Bilder)

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Beschreibung

Beschreibung
English: A system of 3 bodies interacting gravitationally is (famously) chaotic. A system of 3 bodies interacting elastically isn't. Time in this animations is increasing from top right to down left along the diagonal, to show the evolution of the two systems.
Datum
Quelle https://twitter.com/j_bertolotti/status/1044947721696808961
Urheber Jacopo Bertolotti
Genehmigung
(Weiternutzung dieser Datei)
https://twitter.com/j_bertolotti/status/1030470604418428929

Mathematica 11.0 code

(*Staring positions in a triangle*)
x10 = -1;
y10 = -1;
x20 = 1;
y20 = -1;
x30 = 1;
y30 = 1;
(*Initial total momentum is zero, so the center of mass does not \
drift away*)
vx10 = 0.2;
vy10 = 0;
vx20 = -0.1;
vy20 = 0;
vx30 = 0;
vy30 = -0.1;
(*max time the system evolves (in arbitrary units)*)
T = 40;
(*All three bodies have the same mass*)
m1 = 1;
m2 = 1;
m3 = 1;
(*Setting up of the equations copied from \
http://demonstrations.wolfram.com/PlanarThreeBodyProblem/
There are more elegant and compact ways of doing this, but I wasn't \
interested in optimizing the code.*)
nds = NDSolve[
   {x1'[t] == vx1[t], y1'[t] == vy1[t],
    x2'[t] == vx2[t], y2'[t] == vy2[t],
    x3'[t] == vx3[t], y3'[t] == vy3[t],
    m1 vx1'[t] == -((
       m1 m2 (x1[t] - 
          x2[t]))/((x1[t] - x2[t])^2 + (y1[t] - y2[t])^2)^(3/2)) - (
      m1 m3 (x1[t] - x3[t]))/((x1[t] - x3[t])^2 + (y1[t] - y3[t])^2)^(
      3/2), m1 vy1'[t] == -((
       m1 m2 (y1[t] - 
          y2[t]))/((x1[t] - x2[t])^2 + (y1[t] - y2[t])^2)^(3/2)) - (
      m1 m3 (y1[t] - y3[t]))/((x1[t] - x3[t])^2 + (y1[t] - y3[t])^2)^(
      3/2), m2 vx2'[t] == (
      m1 m2 (x1[t] - x2[t]))/((x1[t] - x2[t])^2 + (y1[t] - y2[t])^2)^(
      3/2) - (m2 m3 (x2[t] - 
         x3[t]))/((x2[t] - x3[t])^2 + (y2[t] - y3[t])^2)^(3/2), 
    m2 vy2'[t] == (
      m1 m2 (y1[t] - y2[t]))/((x1[t] - x2[t])^2 + (y1[t] - y2[t])^2)^(
      3/2) - (
      m2 m3 (y2[t] - y3[t]))/((x2[t] - x3[t])^2 + (y2[t] - y3[t])^2)^(
      3/2), m3 vx3'[t] == (
      m1 m3 (x1[t] - x3[t]))/((x1[t] - x3[t])^2 + (y1[t] - y3[t])^2)^(
      3/2) + (m2 m3 (x2[t] - 
         x3[t]))/((x2[t] - x3[t])^2 + (y2[t] - y3[t])^2)^(3/2), 
    m3 vy3'[t] == (
      m1 m3 (y1[t] - y3[t]))/((x1[t] - x3[t])^2 + (y1[t] - y3[t])^2)^(
      3/2) + (m2 m3 (y2[t] - 
         y3[t]))/((x2[t] - x3[t])^2 + (y2[t] - y3[t])^2)^(3/2),
    x1[0] == x10, y1[0] == y10, x2[0] == x20, y2[0] == y20, 
    x3[0] == x30, y3[0] == y30,
    vx1[0] == vx10, vy1[0] == vy10, vx2[0] == vx20, vy2[0] == vy20, 
    vx3[0] == vx30, vy3[0] == vy30},
   {x1, x2, x3, y1, y2, y3, vx1, vx2, vx3, vy1, vy2, vy3}, {t, 0, 
    T}];
funsToPlot = {{x1[t], y1[t]}, {x2[t], y2[t]}, {x3[t], y3[t]}} /. 
   nds[[1]];
evo = Table[funsToPlot /. {t -> j}, {t, 0, T, 0.01}];
dim = Dimensions[evo][[1]];
(*For the elastic force case I used a Verlet integration, as this \
case is numerically very stable.*)
np = 3;
k0 = 1;
(*Same initial condition as the gravitational case*)

pos = {{x10, y10}, {x20, y20}, {x30, y30}};
v0 = {{vx10, vy10}, {vx20, vy20}, {vx30, vy30}};
acc = Table[
   Sum[If[j == k, 0, -k0 (pos[[j]] - pos[[k]])], {k, 1, np}], {j, 1, 
    np}];
dt = 0.005;
posold = pos;
pos = posold + v0 dt + acc/2 dt^2;
range = 5;

evoe = Reap[Do[
      acc = 
       Table[Sum[
         If[j == k, 0, -k0 (pos[[j]] - pos[[k]])], {k, 1, np}], {j, 1,
          np}];
      posoldold = posold;
      posold = pos;
      pos = 2 posold - posoldold + acc dt^2;
      Sow[pos];
      , dim];][[2, 1]];
plots = Table[
   GraphicsRow[{
     Show[
      ListPlot[{evo[[All, 1]][[1 ;; j]], evo[[All, 2]][[1 ;; j]], 
        evo[[All, 3]][[1 ;; j]]}, PlotStyle -> {Purple, Orange, Cyan},
        PlotRange -> {{-range, range}, {-range, range}}, 
       Joined -> True, Axes -> False, 
       PlotLabel -> "Gravitational 3-body problem", 
       LabelStyle -> {Bold, Black}],
      Graphics[{PointSize[0.03], Purple, Point[evo[[All, 1]][[j]]], 
        Orange, Point[evo[[All, 2]][[j]]], Cyan, 
        Point[evo[[All, 3]][[j]]]} , 
       PlotRange -> {{-range, range}, {-range, range}}], 
      ImageSize -> Medium
      ]
     ,
     Show[
      ListPlot[{evoe[[All, 1]][[1 ;; j]], evoe[[All, 2]][[1 ;; j]], 
        evoe[[All, 3]][[1 ;; j]]}, 
       PlotStyle -> {Purple, Orange, Cyan}, 
       PlotRange -> {{-range, range}, {-range, range}}, 
       Joined -> True, Axes -> False, 
       PlotLabel -> "Elastic 3-body problem", 
       LabelStyle -> {Bold, Black}],
      Graphics[{PointSize[0.03], Purple, Point[evoe[[All, 1]][[j]]], 
        Orange, Point[evoe[[All, 2]][[j]]], Cyan, 
        Point[evoe[[All, 3]][[j]]]} , 
       PlotRange -> {{-range, range}, {-range, range}}], 
      ImageSize -> Medium
      ]
     }], {j, 1, dim, 20}];
ListAnimate[plots]

Lizenz

Ich, der Urheber dieses Werkes, veröffentliche es unter der folgenden Lizenz:
Creative Commons CC-Zero Diese Datei wird unter der Creative-Commons-Lizenz „CC0 1.0 Verzicht auf das Copyright“ zur Verfügung gestellt.
Die Person, die das Werk mit diesem Dokument verbunden hat, übergibt dieses weltweit der Gemeinfreiheit, indem sie alle Urheberrechte und damit verbundenen weiteren Rechte – im Rahmen der jeweils geltenden gesetzlichen Bestimmungen – aufgibt. Das Werk kann – selbst für kommerzielle Zwecke – kopiert, modifiziert und weiterverteilt werden, ohne hierfür um Erlaubnis bitten zu müssen.

Diese Datei, die ursprünglich auf https://twitter.com/j_bertolotti/status/1044947721696808961 veröffentlicht wurde, wurde am 19. Oktober 2018 vom vertrauenswürdigen Benutzer Ronhjones geprüft, welcher bestätigt, dass die Datei am angegebenen Tag unter der genannten Lizenz verfügbar war.

Kurzbeschreibungen

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