太陽系的物體為何可以在太陽的引力作用下繼續保持做圓周運動?

2020-12-05 天文在線

牛頓運動定律公式:

其中M

P

和A

P

是行星的質量和加速度,M

S

是太陽的質量,R是

行星與太陽

之間的距離,G是宇宙常數。這個相當大膽的聲明說的是「如果你存在於太陽附近,那麼你正在加速向它」。每一個行星、衛星、塵埃等都說著同樣的話(「嘿!加速向我!」),太陽發出的聲音最大,

因為

它的質量佔太陽系的99.86%。

力使受力物體加速,如重力。所以理解力的作用,對理解加速度是很重要的。速度描述位置的變化程度,而加速度描述速度的變化程度。

「Velocity(速率,速度; 周轉率; 高速,快速)」和「speed(就是指速度,是一個比較非正式的口語化單詞)」,但它們的不同之處在於Velocity是對速度和方向的描述;「向南10英裡/小時」是速度(矢量,有方向),而「10英裡/小時」是速率(標量,無方向)。所以加速度可以通過改變速率的大小和/或方向來改變速度。

假設你在一輛車裡(你的速度向前):

如果你的加速度向前(與你的速度同向),就會加速。

如果你的加速度向後(與你的速度相反),就會減速。

如果你向右或向左加速,你的方向會和加速度一致,但速率保持不變。

值得注意的是,當你以這種方式理解加速度時,我們可以有三個例子。當你猛踩油門時,你會突然跌到位置上;當你剎車,你會向前移動使安全帶繃緊;當車右拐時,你會受到離心力的作用而向左傾斜。這都是加速度突然反向,而人具有慣性的原因。

圍繞恆星(太陽)運行的行星會朝著它做加速運動;但是只改變加速的方向,不改變加速度

行星也遵循著同樣的規則。一個行星繞著太陽做圓周運動的方向與其受到的衝向太陽的加速度之間的夾角一般呈90°。這意味著行星一直在保持著基本同樣的速率轉動。行星移動的速度非常快的同時只轉動一點點,當他們移動的足夠遠的時候太陽雖然已經到了一個新的位置,但它們仍然呈90°。

所以這就是行星為什麼能永遠向著太陽加速而不向其靠近。行星的橫向運動是基於這樣一個事實:如果行星不進行橫向運動,它就會在短期內進入了太陽。事實上,太陽只不過是太陽系形成過程中大量物質的集合體,這些物質因為沒有足夠的快地做橫向運動而被吸引在一起,最終才形成今天的太陽(幾乎是所有物質)。

為什麼物體最終會進入圓形軌道是一個更微妙的問題。最簡單的解釋是,非圓軌道上的物體會遇到麻煩的結果,是要麼它們的軌道變得足夠圓,要麼被摧毀。並不是說圓形軌道在某種程度上更好,而是其他軌道將承擔更嚴重的影響或引力交互作用的風險(例如,與木星),導致物體進入一個不幸很短的軌道。

假設一個軌道是穩定的,那麼它將會是一個橢圓。圓是最簡單的橢圓,但是橢圓可以被極大地拉長。例如,彗星的軌道非常橢圓(如下圖中右下的)。在這些軌道上,彗星主要是朝著或背向太陽運動,所以對它們來說,太陽的引力主要改變它們的速度,較少改變它們的方向。

太陽系(奧爾特雲內部)

行星所處的軌道沒有什麼特別之處。太陽系中我們所擁有的八顆(或九顆或更多)行星並不是唯一形成的行星,但它們是唯一剩下的行星。當物體在高度橢圓的軌道上運行時,它們傾向於「在道路上到處行駛」並撞上物體。當事物相互碰撞時,會產生兩種可能性:破碎或不破碎。當我們觀察我們的行星鄰居時,我們會看到隕石坑,這些隕石坑表明了撞擊達到行星或衛星時,行星或衛星在不破碎的情況下所能承受的極限。可能會有比行星承受極限更大的撞擊,但(毫不奇怪)這些撞擊不會留下隕石坑讓我們去尋找。

火星大衛星火星一上的隕石坑(左側),名為「斯蒂克尼撞擊坑」

所以具有非常橢圓形軌道的物體更容易發生爆炸。不過即使兩個物體相互撞擊並合併,最終形成的軌跡也是兩個物體原始軌跡的平均值,結果往往趨於更圓。這是吸積過程中的一部分,土星的光環提供了一個美麗的例子,它近乎完美的圓形軌道便是這種在作用下產生的。

圍繞土星運行的軌道上的塵埃顆粒互相碰撞,然後慢慢形成幾乎完全呈圓形軌道,即新的軌道是原先軌道的平均值(這意味著它們彼此碰撞的頻率降低)。

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