命题XLIII 问题XXX
使得一个物体能在围绕力的中心转动的任意轨道上运动,一如另一物体在相同的静止的轨道上的运动。
在位置给定的轨道VPK上,设运行的物体P由V向K前进。自中心C总引Cp,它等于CP,作角VCp与角VCP成比例;且面积,它由线Cp画出,比面积VCP,它由线CP同时画出,如同画出线Cp的速度比画出线CP的速度;这就是,如同角VCp比角VCP,且因此按照给定的比,所以与时间成比例。因为面积,它由线Cp在不动平面上画出,与时间成比例,显然一个物体,在适量向心力的作用下,能与点p一起在那条曲线上运行,曲线由同一点p以刚才说明的方式在不动平面上画出。使角VCu与角PCp,直线Cu与直线CV,且图形uCp与图形VCP相等,则总在p的物体在转动的图形uCp的边缘上运动,在它画于弧up的相同时间,另一个在静止的图形VPK上的物体P能画出相似且相等的弧VP。所以,由命题VI的系理五,向心力被找到,由它物体能在那条曲线上运行,曲线由点p在不动的平面上画出,问题得解。此即所作 。
命题XLIIV 定理XIV
力之差,由它们一个物体能在静止的轨道上,且另一物体能在相同的转动着的轨道上做相等的运动,按照它们的公共的高度的三次反比。
令静止的轨道的部分VP,PK与转动着的轨道的部分up,pk相似且相等;且点P,K[之间]的距离被假设为极小。自点k在直线pC上落下垂线kr,且延长它至m,使得mr比kr如同角VCp比角VCP。因为物体的高度PC和pC,KC和kC总相等,显然,直线PC和pC的增量或者减量总相等,且因此,如果在位置P和p的物体中的每个运动被分解为(由诸定律的系理II)两个运动,其中之一朝向[力的]中心,或者沿直线PC,pC确定,且另一横过前者,并沿与直线PC,pC垂直的方向;向着中心的运动总相等,又物体p的横向运动(motus transversus)比物体P的横向运动,如同直线pC的角运动比直线PC的角运动,亦即,如同角VCp比角VCP。所以在相同的时间,在此期间物体P由它自己的两个运动到达点K,物体p由向着中心的相等的运动同等地由p向C运动,且因此在那段时间结束时它在直线mkr上的某处被发现,它经过点k与直线pC垂直;[物体p]由横向运动获得的一段离开直线pC的距离,比另一个物体P获得的离开直线PC的距离,如同物体p的横向运动比另一个物体P的横向运动。由是,因kr等于物体P获得的离开直线PC的距离,mr比kr如同角VCp比角VCP,这就是,如同物体p的横向运动比物体P的横向运动,当那段时间结束时物体p在位置m被发现是显然的。这些事情会是如此,当物体p和P沿直线pC和PC做相等的运动,因此沿那些线推动它们的力相等。再取角pCn比角pCk如同角VCp比角VCP,又设nC等于kC,当那段时间结束时,物体p在n被发现;且因此它被推动的力大于物体P被推动的力,只要角nCp大于角kCp,亦即,如果轨道upk或者前行,或者以大于二倍直线CP被携带着前行的速度退行;如果轨道较慢地退行,则此力较小。且力之差如同位置的间隔mn,在给定的那段时间,那个物体p由力之差的作用移动应经过它。假设以C为中心,间隔Cn或者Ck画圆截直线mr,mn的延长于s和t,则矩形mn×mt等于矩形mk×ms,且因此mn等于(mk×ms)/(mt)。但是,因时间给定,三角形pCk,pCn的大小被给定,kr和mr,同样它们的差mk及和ms与高度pC成反比,且因此矩形mk×ms与高度pC的平方成反比。又mt与 mt成正比,亦即,如同高pC。这些是初生成的线的初始比;且因此(mk×ms)/(mt),亦即初生成的短线mn,以及与它成比例的力之差与高度pC的立方成反比。此即所证 。
系理1 因此,在位置P和p,或者K和k的力的差,比一个力,由它在物体P在不动的轨道上画出弧PK的相同时间能使一个物体以圆周运动从R运行到K,如同初生成的短线mn比初生成的弧RK的正矢,亦即如同(mk×ms)/(mt)比(rkq )/(2kC),或者如同mk×ms比rk的平方;这就是,如果按照角VCP比角VCp所具有的比取给定的量F,G,如同GG-FF比FF (26) 。且所以,如果以C为中心,任意的间隔CP或者Cp画出的圆扇形等于总面积VPC,它由在不动的轨道上运行的物体P向中心引的半径在任意时间画出:力之差,由于它们物体P在一不动的轨道上运行且物体p在一运动的轨道上运行,比向心力,由它另一物体向中心引的半径在面积VPC被画出的相同时间,能均匀地画出那个扇形,如同GG-FF比FF。因为那个扇形和面积pCk的彼此之比如同它们被画出的时间。
系理2 如果轨道VPK是一个椭圆,它有焦点C和最高的拱点V;并且设椭圆upk与它相似且相等,于是pC总等于PC,且角VCp比角VCP按照G比F的给定之比;把高度PC或者pC写作A,又设椭圆的通径为2R:则力,由它一个物体能在运动的椭圆上运行,如同(FF/AA)+(RGG-RFF)/(Acub. ),且反之亦然。因为力,由它一个物体在不动的椭圆上运行,用量(FF)/(AA)表示,则在V的力是(FF)/(CVquad.) 。但是力,由它能使一个物体以在椭圆上运行的物体在V点的速度在距离为CV的圆上运行,比一个力,由它在椭圆上运行的物体在拱点V被推动,如同椭圆的通径之半比圆的半直径CV,且因此值为(RFF)/(CVcub. );则力,它比这个值如同GG-FF比FF,其值为(RGG-RFF)/(CVcub. ):这个力(由本命题的系理1)是在V的力之差,由它们物体P在不动的椭圆VPK上运行,且物体p在运动的椭圆upk上运行。因为(由本命题)那个差在其他任一高度A比它自身在高度CV如同1/(Acub. )比1/(CVcub. ),同样的差在每一高度A的值为(RGG-RFF)/(Acub. )。所以对力(FF)/(AA),由它物体能在不动的椭圆VPK上运行,加上超出的(RGG-RFF)/(Acub. );则合成的总力是FF/AA+(RGG-RFF)/(Acub. ),由它物体能在相同的时间在运动的椭圆upk上运行。
系理3 由同样的方式得出,如果不动的轨道VPK是中心在力的中心C的椭圆;假设运动的椭圆upk与它相似,相等且同中心;又设2R为这个椭圆的主通径,且2T为横截径或者长轴,角VCp比角VCP总如同G比F;力,由它们物体能在相等的时间在不动的和运动的椭圆上运行,分别如同(FFA)/(Tcub. )和(FFA)/(Tcub. )+(RGG-RFF)/(Acub. )。
系理4 并且一般地,如果物体的最大高度CV被称为T,且轨道VPK在V所具有的曲率半径,亦即同等弯曲的圆的半径,被称为R,且向心力,由它一个物体能在任意不动的轨道VPK上运行,在位置V被说成是(VFF)/(TT),在另一位置P被说成是不定的X,高度CP被称为A,并按照角VCp比角VCP的给定之比取G比F:则向心力,由它同一个物体能在相同的时间在有旋转运动的相同的轨道upk上完成相同的运动,如同力的和X+(VRGG-VRFF)/(Acub. )。
系理5 所以,给定在任意不动的轨道上物体的运动,它的围绕力的中心的角运动(motus angularis)能按照给定的比增大或者减小,且因此可以找到新的不动的轨道,物体以新的向心力在其上运行。
系理6 所以,如果向位置给定的直线CV竖立长度不确定的垂线VP,且连结CP,又引Cp等于它,作角VCp,它比角VCP按照给定的比;力,由它物体能在那条曲线Vpk上运行,点p持续与曲线接触,与高度Cp的立方成反比。因为物体P,由惰性力,在没有其他力推动时,能在直线VP上均匀地前进。被加上的力趋向中心C,与高度CP或者Cp的立方成反比,且(由刚才证明过的)物体从那个直线运动被偏离为在曲线Vpk上的运动。但是这条曲线Vpk与在命题XLI系理3中所发现的那条曲线VPQ是一样的,在那里我们说物体在这种类型的力的吸引下倾斜上升。
命题XLV 问题XXXI
轨道与圆相差甚小,需求拱点的运动。
这一问题被算术地解决,作轨道,它由在运动着的椭圆(如同在上面命题中的系理2或者系理3)上运行的物体在不动的平面上画出,接近要求的拱点的轨道的形状,并寻找那个物体在不动的平面上所画轨道的拱点。但轨道获得同样的形状,如果它们被画出的向心力相互比较,在相同的高度成比例。设点V为最高的拱点,且把最大高度CV写为T,其他任意高度CP或者Cp写为A,高度差CV-CP写为X;而且力,由它一个物体在围绕自己的焦点转动的椭圆上运动(正如在系理2中),在系理2中所求的如同(FF/AA)+(RGG-RFF)/(Acub. ),亦即如同(FFA+RGG-RFF)/(Acub. ),用T-X代替A,则如同(RGG-RFF+TFF-FFX)/(Acub. )。其他任意的向心力类似地约化为一个分数,其分母为Acub .,且其分子通过归并同类项做成类似。此事由例子说明。
例1.我们假设向心力是均匀的,因此如同(Acub. )/(Acub. ),或者(在分子中A写作T-X)如同(Tcub. -3TTX+3TXX-Xcub. )/(Acub. );再归并分子中对应的项,即已给定的与已给定的一起且未给定的与未给定的一起,成为RGG-RFF+TFF比Tcub .如同-FFX比-3TTX+3TXX-Xcub. ,或者如同-FF比-3TT+3TX-XX。现在由于轨道被假设与圆极为近似;让轨道与圆重合,则由于R,T成为相等,因此X无限减小,最终比为RGG比Tcub. 如同-FF比-3TT,或者GG比TT如同FF比3TT,又由更比GG比FF如同TT比3TT,亦即,如同1比3;因此,G比F,这就是角VCp比角VCP,如同1比√3。所以,因为在不动的椭圆上的物体,自上拱点下降到下拱点走完180度的角(据我如此说)VCP;在运动的椭圆上的另一个物体,在我们所处理的不动的轨道[面]上,自上拱点下降到下拱点走完180/(√3)度的角VCp:它如此是由于这个轨道,它由物体在均匀向心力的推动下画出,与那个轨道的接近,它由另一物体在转动的椭圆上运行时在静止的平面上画出。由上面项的归并导出这些轨道的相似性,不是普遍的,而仅在它们与圆的形状极为接近的时候。所以物体由均匀的向心力在很接近圆形的轨道上运行,在上拱点和下拱点之间总走完180/(√3)度,或者103度55分23秒的中心角;当它一次走完这个角时,它从上拱点到达下拱点,且当它再一次走完相同的角时,它由此地返回到上拱点;并如此继续以至无穷。
例2.我们假设向心力如同高度A的任意次幂An-3 或者(An )/(A3 );这里n-3和n表示任意的幂指数:整数或者分数,有理数或者无理数,正数或者负数。那个分子An 或者 由我们的收敛级数方法化为不定级数,成为Tn -nXTn-1 +[(nn-n)/2](XXTn-2 &c)。并用它的项与另一个分子的项RGG-RFF+TFF-FFX比较,成为RGG-RFF+TFF比Tn 如同-FF比-nTn-1 +[(nn-n)/2](XTn-2 &c)。并取当轨道接近圆的形状时的最后比,得RGG比Tn 如同-FF比-nTn-1 ,或者GG比Tn-1 如同FF比nTn-1 ,又由更比,GG比FF如同Tn-1 比nTn-1 ,亦即1比n;且因此G比F,亦即角VCp比角VCP,如同1比√n。因为角VCP,在椭圆上的物体从上拱点下降到下拱点走完它,为180度;被走完的角VCp,当物体在由任意与An-3 成比例的向心力画出的很接近圆形的轨道上,由上拱点下降到下拱点时,等于180/(√n)度的角;且这个角重复时,物体由下拱点返回到上拱点,并如此继续以至无穷。如是,如果向心力如同物体离中心的距离,亦即,如同A或者A4 /A3 ,n等于4且√n等于2;且因此上拱点和下拱点之间的角等于 度或者90度。所以,物体走完一次环绕的四分之一部分,它到达下拱点,再走完另一个四分之一部分,到达上拱点,且如此交替以至无穷。它亦由命题X所证明。因为这一向心力推动物体在不动的椭圆上运行,它的中心在力的中心上。但如果向心力与距离成反比,亦即与1/A或者A2 /A3 成正比,n等于2,且因此上拱点和下拱点之间的角为180/(√2)度或者127度16分45秒,所以物体以如此的力运行,这个角持续重复,它从上拱点到达下拱点再由下拱点到达上拱点,轮流交替永无穷期。再者,如果向心力与高度的十一次幂的平方根的平方根成反比,亦即与 成反比,且因此与 成正比,或者与 成正比,n等于14且 度等于360度,所以物体自上拱点离去,并由此持续下降,当它完成整个环绕时到达下拱点,然后持续下降完成另一个完整的环绕,又返回到上拱点:且如此交替永无穷期。
至此我们论及物体在轨道上的运动,它的平面从力的中心穿过。其余的我们亦需确定物体在偏心的平面上的运动。因为从事重物运动著述的作者们,惯常考虑重物的上升与下降,既在任意给定的倾斜平面上,又在垂直方向上;且由同样的理由,在这里我们考虑在任意力的作用下,在偏心的平面上物体趋向中心的运动。但我们假设平面极为平顺且完全润滑,不迟滞物体。此外,在这些证明中,代替物体位于其上并与之相切的平面,我们利用平行于它们的平面,物体的中心在平面上运动并由运动画出轨道。且由同样的定律,我们随后确定物体在曲面上完成的运动。