在牛顿之前,运动学有两支:一是天上的现象,由开普勒的三个运动定律所规范;另一则是地表的现象,就是伽利略所描述的落体及抛体运动。在1665及1666这两年,牛顿为了躲避瘟疫而住在乡闲农场,开始认真思考统合运动学的问题。他想苹果掉地可解释为地球有个力量拉着苹果,同理,那么行星绕日运动是否可解释为太阳有个力量拉着行星呢?这两股力量是否一样呢?其方向与大小该如何描述呢?牛顿断断续续以不同角度探索这些问题,一直到1684年用自己发明的微积分解决了一些难题之后,万有引力公式再也没有疑问,才确立了万有引力的想法与计算公式,
于是他开始编写《自然哲学的数学原理》一书,并于1687年出版。由于这段探索过程曲曲折折,这方面的文献有争议之处甚多,而且科学历史的细部发展有时并不按逻辑顺序的,对于启蒙者而言,这种曲折发展史反易构成学习障碍。这里打算将牛顿近二十年万有引力研究的前期探索过程做一扼要回顾,虽然这期间已有苹果落地的轶闻,笔者也将其改编成较易联想的版本,有兴趣请参阅本系列博文【苹果砸牛顿与情人】内文,然而拿这些故事材料来当引发兴趣是可以的,但想当启蒙敲门砖却不行。缺乏数理材料的铺路,是没有办法走入物理殿堂的大门。为什么月球从来都不被吸引到地球上?为什么地球和其他行星不被吸引到太阳上去?一切都在好奇心驱使下开始的,并以较为简易推理技巧和直接相关事物的逻辑顺序铺陈开来,而且,不需要向量的知识,就能进行相关推演。
牛顿对行星运动的探索过程是先从研究月球环绕地球的运动开始的,是以行星运行轨道大致为圆形进行估计。牛顿好奇地想,如果没有任何力作用于月球的话,根据伽利略建立的惯性理论:「不受外力作用的物体,沿一直线作匀速运动。」,可推知月球就应当进行匀速直线运动,然而实际现象恰恰不是这样,月球却是绕地球作圆周运动,所以月球必定要受到力的作用才行。“没有这种力的作用,月球不可能保持在自己的轨道上运动;倘若这个力比轨道所需的力还小,则它使月球偏离直线的程度不够,月球自当会飞离地球;如果这个力比轨道所要求的力还大,则它使月球偏离直线的程度太大,并使月球的轨道更靠近地球。”牛顿当年这样辩思着。牛顿运用正反合辩思方法,推想出行星运行所受到的力,是一种连续地指向一确定中心的作用力。
月球持续往前飞,又一直受到力的作用而下落,只是地球是圆的,如有合理的向心力作用下,恰能维持圆形轨道,所以落不到地面,也没飞离地球。总的来讲,月球一直沿着圆形轨道的切线方向飞出,但有一股向心力一直"恰好"把月球拉回来,结果,月球永远在圆形轨道上运动,正是上头左图所描述的那样。为了证明向心力的存在,这里将找出计算向心力的几何分析方法。首先从上头左图中,抽离出在同一片刻时段里的相关细节,例如月球向地球下落的距离、月球切线速度在同一时间片刻所飞行的距离,物理几何图像都是以"向心力恰好把月球拉回到圆形轨道上"为基础来绘制的,详情如上头右图所示,接着进行如下的几何分析与计算。 这里是以距离这项直接证据为准,不需要向量的知识,就能进行相关推演。于上头右图代表月球以速率 (R +
0.5 R2 R ∴ a = (Vo)2/ R 上式证明了正是这个向心力,恰好使得月球落下來後,时时刻刻在圆形轨道上运行。由于月球绕着地球运行的情形,就像行星绕着太阳的运动一样,因此,应满足开普勒第三定律,如是这样,那刚刚求得之向心力会有何性质?特别想知道是与距离之间的关系。又,开普勒第三定律说:绕同一中心天体的所有行星轨道距离(R)的三次方,与行星公转周期(T)的平方的比值是固定的,因此可令R3/T2=k
从上述的推导结论,可得出月亮天体运行的向心力同距离平方反比的规律。接下来,需要找到合理的观察数据,进行对月亮向心力的定量分析。然而,这里所需要月球运转周期,在天文观测上有两种定义,一种是以地球为中心并用北极星当参考系所观察的月球公转周期,转一圈是27.32天;另一种是以太阳为中心,观察月球被太阳照射的方向和从地球看见的一个月的变化,结果是月球的相位,当日、月、地成一直线后转一圈回到日、月、地成一直线所经历的周期为29.53059天,实际情况如下图(取材自维基百科)所示:
首先,要怎么求得月亮绕地球飞行的速率
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