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我们所知道的星球,其形状及其运行轨迹为会么接近圆形?

 森空海地 2014-10-16

为什么会接近圆形呢?就要从离心力说起。你拿着湿衣服拼命打转,是不是会有水滴飞出来。这个就是离心力,其力的方向是指向圆心的反方向的(离心力是一种方便分析的圆周运动的假设力,实际上并不实际存在,其实也就是惯性导致的)。再看看秤砣,你拿着线,不断的打转,秤砣是不是做圆周运动呢?这是因为绳子的拉力抵抗了离心力,其就会做圆周运动了。


那为什么星球又会做椭圆运动呢?这是由于物体的运动速度过大,超出了中心天体的引力导致的。其离心力与物体的运行速度有关,速度越大,离心力也就会也大(有相关公式,你可以查查)。看椭圆运动,最好结合能量学一起看。前面说物体的速度很大,使中心天体都捉不住它了,所以它就能逃逸了。在不断逃逸的过程中,中心天体的引力一直存在,也就是说,中心天体不断地对围绕天体做功(W=FS)。那么围绕天体的动能不断减少,速度也减缓。聪明得你肯定能发现,速度减少了会导致离心力减弱!那么引力能重新捉住围绕天体,天体重新向中心运动。由于运动方向与引力的分方向相同,所以引力这次做的功为围绕天体加速,两个天体也就是这么周期性的位置交替。这个过程,就是动能——势能相互转化的过程。动能大的时候,就会有摆脱中心天体的趋势,但恰恰是离中心天体最近的地方,因为这时势能转化成动能是最多的。

如果围绕天体的速度再大些,那么就能完全摆脱中心天体的束缚,飞向其他地方,然后由于动能损耗(太空不会有阻力,而是由于其他引力做功,或与其他物体相撞等因数造成的),然后被其他大质量天体重新捕获围绕其做圆周运动或椭圆运动。这就是为什么你总是看到天体会做类圆周运动的原因了。


根据高中的物理知识,如果一个物体(也就是星球)所受的合外力在该物体运动的方向上,那么它会做直线运动。反之,如果速度方向和合力的方向存在夹角,那么物体会做曲线运动。
宇宙中运动的物体(相对于一般参考系)几乎没有做直线运动的,因为受力很复杂,而且处在不断的变化之中。所以,在特定区域运动且稳定的物体,例如我们可以编号的星球,其轨道都是相对稳定的闭合曲线(非闭合的也有很多,但大多不是我们所熟知的,也不稳定)。
然后,根据开普勒定律,或者直接参考圆锥曲线的说明。某个星体在环绕目标星体运动时(暂不考虑双星或多星系统),目标星体的质量中心也就是环绕星体轨道的焦点,自然这个轨道就是椭圆。广义上说,宇宙中所有具备一定结构与形态的物体都在做部分或全部的椭圆运动。
再者,你提到的“我们所知道的星球”,我想你是指太阳系内的行星吧,这算是大众所熟知的。的确,他们的轨道是很接近圆,但那只是接近,实际上还是椭圆。太阳系演变的过程相对于其它的星系而言是比较平缓的,而且现在的太阳也正处于一个比较稳定的恒星期。
 

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