avec Gravity simulator

1. Simulons simulons la gravité avec Gravity simulator v. 2.0.0 - 2002 Obs. Lyon –PhM 2013-2014

2. Chargement du programme Gravity Simulator Aller à la page : http://www.orbitsimulator.com/gravity/articles/downloadagree.html Télécharger le fichier : GravitySimulatorSetup.exe. L’exécuter pour installer le programme. Télécharger les fichiers de simulations contenus dans gsimul.zip ou demander la clé USB. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

3. Gravity Simulator et postes Observatoire Un grave problème de compatibilité est apparu avec le système Windows 2003 Server qui gère les postes de la salle. Pour lancer une simulation, il faut faire glisser le fichier (extension gsim) de son répertoire sur l’icône du programme. La sauvegarde pose aussi problème, car le programme aborte. Il n’y a plus qu’à relancer. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

4. Avertissements Ce programme, un peu caractériel, se saborde facilement si l’on oublie certains paramètres. Pour éviter cela, il est conseillé de partir d’exemples qui fonctionnent et de les transformer pas à pas. L’écran graphique a la particularité d’avoir les x positifs à gauche et les y positifs en bas. y <0 X >0 X <0 y >0 ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

5. Tutoriel Il existe un tutoriel en ligne à l’adresse : http://orbitsimulator.com/gravity/tutorials/tutorials.html Sur ce site il existe un nombre important de simulations complexes : http://www.orbitsimulator.com/gravity/articles/simu.html Le programme permet aussi de simuler des sondes spatiales en ayant la possibilité de les accélérer ou ralentir par impulsions. Notre but aujourd’hui sera plus simple : - Prise en main pour savoir utiliser les principales fenêtres de commandes et d’information - Construire des situations simples montrant clairement les effets de la gravitation. Un petit texte pour faciliter l’initiation est téléchargeable à : http://cral.univ-lyon1.fr/labo/fc/cdroms/cdrom2014/gravitation/index.html ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

6. Quelques simulations d’initiation A t = 0, deux objets de même masse sont au repos. Combien de temps vont-il mettre pour se heurter ? La Terre sans vitesse tombe sur le Soleil. En combien de temps ? Construction su système Terre Lune. Ejection d’un petit corps. Et cætera ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

7. Les petites fenêtres Lancer le programme gravitysimulator.exe Icône : Le programme démarre avec la sauvegarde automatique de la configuration lors de la dernière fermeture. Fichier : resume.gsim. Si la simulation est active, l’arrêter par la commande de la ligne de menu : Time / Pause Ouvrir le fichier Terre-Lune-simple.gsim ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

8. Les fenêtres de contrôle de base Au lancement si aucune fenêtre n’est visible, les faire apparaître par : Touche F8 ou F9 Cinq petites fenêtres apparaissent : Les dimensions de ces petites fenêtres ne peuvent être changées. Elles peuvent être déplacées à volonté. Plein écran : touche F11 Sortie plein écran : touche Esc ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

9. Les fenêtres de contrôle de base Echelle de la fenêtre Dimension de la largeur de la fenêtre écran, pleine page  : zoom grossissant d’un facteur 1.5  : zoom diminuant d’un facteur 1.5 L’unité d’affichage change automatiquement : LY (année lumière, AU (unité astronomique), Km, m, cm. Lancer la simulation : soit soit ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

10. Les fenêtres de contrôle de base Arrêt – Marche et pas d’exécution 1 - Bouton bascule d’arrêt-Marche 2 - Pas temporel d’exécution du calcul, en secondes 3 - variation du pas + et - : de calcul par un facteur 2. Un pas plus grand permet d’avancer rapidement dans le temps. Un pas plus petit permet de mieux suivre un phénomène rapide. Pour les pas très petits (<001 secondes) l’affichage du pas ne se fait plus. Le pas peut être changé à tout moment, même en mode d’exécution. Attention : Un pas trop grand peut amener des aberrations de calcul. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

11. Les fenêtres de contrôle de base Objet de référence des distances et des vitesses affichées. Changement En mode absolu, c’est l’objet au centre de l’écran. Mode absolu : voir diapositives suivantes. Fenêtre d’information du temps Date à l’anglo-saxonne : mois-jour-année Heures – minutes - secondes Les date et heure se changent dans le menu Time / Set Time… L’affichage d’un changement de date et/ou d’heure ne se fait qu’au lancement de la simulation. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

12. Les fenêtres de contrôle de base Fenêtre de configuration du graphique. L : label – bouton bascule d’affichage du nom des objets P : plot – bouton bascule d’affichage des objets T : plot – bouton bascule d’affichage de la trace Remarques : - L’affichage des labels et des traces ralentit les calculs. - Le balayage des labels peut effacer la trace là ou passent les noms. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

13. Les fenêtres de contrôle de base Fenêtre de configuration du graphique. Bouton bascule F ou A Si A affiché, on est en mode flottant (centre de gravité fixe et centré). Si on appuie sur A, on passe en mode absolu, l’objet du « Focus objet » devient centré. Si F affiché, on est en mode absolu, l’objet du « Focus objet » est centré. Si on appuie sur F, on passe en mode flottant, le centre de gravité est fixe et centré. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

14. Les fenêtres de contrôle de base Changement de centre de référence à la place d’un objet de référence. Clic sur le réticule, change le pointeur de la souris en curseur en croix. On peut alors cliquez sur un point du graphique qui devient le point de Référence. Apparait la flèche curseur qui permet de repasser au mode normal sur un objet. Attention – à l’expérience ce mode ne marche pas correctement. Il est donc recommandé de ne pas s’en servir. Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

15. Les fenêtres d’information Les boîtes de Distances et Vitesses Par le menu View / Add Distance And Velocity Box Il est possible d’ouvrir plusieurs boîtes simultanément sur des objets différents. Dans une boîte, on peut changer l’objet de référence et l’objet dont on veut la distance et la vitesse. Passer le curseur de la souris sur la fenêtre : Choisir les objets : référence et corps. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

16. Les fenêtres d’information Les boîtes d’éléments orbitaux Par le menu View / Add Orbital Elements Box Il est possible d’ouvrir plusieurs boîtes simultanément sur des corps différents. Dans une boîte, on peut changer l’objet de référence et l’objet dont on veut les éléments. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

17. Edition des objets Pour une initiation à ce programme, nous resterons dans un univers plan. Les composantes Z des positions et vitesses des corps doivent être toujours à 0. La création de nouveaux corps est assez complexe et demande quelques connaissances du repérage des orbites dans le plan de l’écliptique. Pour construire les simulations, nous partirons de fichiers exemples très simples à 2, 3 ou 4 corps. Il suffira d’éditer ces configurations et d’en changer les valeurs initiales. Le temps est daté. La date origine, par convention sera le 1er janvier 2000. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

18. Edition des objets Exemple très simple : - 1 Terre (corps de référence) et 1 Lune à 380000 km, sans vitesses à l’instant 0. Combien de temps pour la chute de la Lune sur la Terre ? Charger le fichier Terre-Lune_0.gsim L’éditer pour voir son contenu ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

19. Edition des objets Les onglets d’édition des 2 corps. On ne peut éditer qu’un objet à la fois. Repèrer où changer : Les noms Les masses Les dimensions La position Le vecteur vitesse Et aussi l’objet de référence La couleur Bien tenir compte des unités cochées. Ne pas oublier : « Apply » ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

20. Edition des objets Tout peut être changé, mais en faisant attention à ne pas bouleverser les références. On laissera les composantes Z à 0. La composante X de Location a un bug d’édition : Pour y rentrer une valeur négative, mettre au moins un chiffre avant de mettre le signe moins ! Important ! Quand on change des valeurs ne pas oublier de faire « Apply » avant de sortir de l’éditeur. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

21. Faire pause pour mieux maîtriser la progression. De la chute des corps et de l’inertie Laissons tomber la Lune sur la Terre Démarrer En jouant sur le pas du calcul et sur l’échelle du graphique, arrêter la chute juste avant le contact Résultat ? Rééditer les objets. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

22. De la chute des corps et de l’inertie Rééditer les objets. Il n’a suffit que de 4 jours et 17h37min Le choix d’un repère absolu, le point O d’origine est toujours au centre de l’écran. La terre s’est approchée de la Lune de 4400 km La Lune a parcourue 380000-9000 km La vitesse de la Lune est de -9.35 km /s La vitesse de la Terre est de 0.12 km /s Vitesse relative 9.47 km/s 4j 17h37min ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

23. De la chute des corps et de l’inertie Reprendre le même fichier : Charger le fichier Terre-Lune_0.gsim L’éditer pour l’adapter au couple Soleil - Terre Mettre l’échelle du graphique à 2.46 ua Refaire l’expérience Temps de chute ? 2 mois 4 jours 19h35min Vitesse à l’arrivée ? 610 km/s Editer l’objet Soleil. Déplacement du Soleil ? 338 km Vitesse : 1.8 m/s. 4j 17h37min ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

24. De la chute des corps Charger le fichier chute_2corps.gsim. Il y a 3 objets : la Terre, objet de référence. Obj1 : un petit de 1000 kg Obj2 : un plus petit de 1 kg Ils sont à la même distance Obj1 : (100000 km,-100000 km) Obj2 : (100000 km, 100000 km) A l’instant initial, ils n’ont aucune vitesse. Les laisser tomber sur la Terre. Arrêter la simulation, juste avant le choc. 4j 17h37min Que constate-t-on ? ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

25. Satellisation Reprendre le même fichier Terre-Lune_0.gsim Si on assimile l’orbite de la Lune à un cercle, qu’est-ce qui nous manque pour ne pas faire tomber la Lune sur la Terre ? La vitesse ! Quelle vitesse ? Aide : période sidérale de la Lune : 27.321582 j On prendra v = 1 km / s Editer l’objet Lune pour rentrer cette valeur. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

26. Avant de lancer la simulation, sauver avec un nouveau nom. Satellisation Le vecteur vitesse est perpendiculaire à la direction Terre-Lune ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

27. Satellisation Lancer la simulation Mettre la trace Augmenter le pas du calcul pour ne pas trop attendre. Rechercher la période de rotation de cette simulation. L’orbite est-elle circulaire ? Faire apparaître la boîte « Orbital Elements » ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

28. Satellisation Objet : Lune Objet de référence : Terre Arrêter la simulation aux deux positions ou l’ordonnées de la Lune est nulle (périgée et apogée). Dans ces deux positions faire Alt/PrintScreen et relever la date et l’heure. Et coller ces images des fenêtres dans un éditeur de texte ou autre. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

29. Satellisation La différence de date donne la demi-période. 12 j 7h 45min 44s P = 24 j 15h 33min 28s La boîte donne Le demi-grand axe L’excentricité Où est le périgée, à droite ou à gauche ? Au temps 0, où était la Lune ? Comparons par rapport aux valeurs vraies de la Lune. ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

30. Satellisation Orbite de la Lune : 380037 km 359183 km 338037 km 0.05806 24.64824 j 389324 km 419476 km 359172 km 0.0774476 27.8135 386154 409193 363105 0.0597 27.475 Demi-grand axe 384 399 km Apogée 405 696 km Périgée 363 104 km Excentricité 0,05490 Période de révolution 27,321582 j Vitesse orbitale moyenne 1,022 km/s Vitesse orbitale maximale 1,052 km/s Que changer pour améliorer notre simulation en positionnant la Lune au périgée du côté des abscisses positives. 384950 406796 363105 0.056745 27.346875 Reprendre le même fichier Terre-Lune_0.gsim Editer l’objet Lune. Positionner la Lune à son périgée et donner une vitesse un peu plus grande. Relancer la simulation. Résultats ? ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

31. Simulation 380037 km 359183 km 338037 km 0.05806 24.64824 j Satellisation IMCCE Orbite de la Lune : Demi-grand axe 384 399 km Apogée 405 696 km Périgée 363 104 km Excentricité 0,05490 Période de révolution 27,321582 j Vitesse orbitale moyenne 1,022 km/s Vitesse orbitale maximale 1,052 km/s Que changer pour améliorer notre simulation en positionnant la Lune au périgée du côté des abscisses positives. Reprendre le même fichier Terre-Lune_0.gsim Editer l’objet Lune. Positionner la Lune à son périgée et donner une vitesse un peu plus grande. Relancer la simulation. Résultats ? ► Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

32. Trois coprs Terre – Lune – satellite (ou sonde) Ouvrir le fichier : TLSatel.gsim. Configuration : 1 - Terre 2 - Lune 3 - Sat : 1 satellite au début en orbite circulaire à 42164 km. Lancer la simulation et chercher la période du satellite. Utiliser le fichier data_systeme solaire.xls pour calculer la vitesse de satellisation à une distance d du centre de la terre. En reprenant à chaque fois le fichier TLSatel.gsim placer le satellite depus en plus loin de la Terre. Quand la Lune perturbe-t-elle son orbite ? Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)

33. Fin provisoire Simulation de la Gravité (Obs. Lyon - PhM 2013-2014)