地球以橢圓軌道繞太陽轉,速度卻分秒不差,是否有什麼力在幹擾?

2020-11-23 星宇飄零

地球繞太陽公轉,速度是否分秒不差?而公轉的軌道是橢圓的,是不是有個什麼力在幹擾?

克卜勒行星運動定律

大約在400年前,克卜勒就在天文學家第谷的觀察數據基礎上總結出了克卜勒行星三大定律,其中克卜勒第一定律是橢圓定律,指出行星軌道是橢圓的,太陽在橢圓的一個焦點上,這一點題目上說的是對的。

但克卜勒第二定律——面積定律指出,行星在橢圓軌道上與太陽連線在相同時間內掃過的面積相等。這表述有點繞,我們看圖吧:

在這個圖中,F是太陽,A-B、C-D、E-K就是相同時間內行星公轉時經過的距離,而扇形ABF、CDF、EKF就是行星在橢圓軌道上與太陽連線在相同時間內掃過的面積。因此根據克卜勒第二定律,A(ABF)=A(CDF)=A(EKF)。

從圖中可以很容易看到,AB、CD、EK這三段弧的長度是不一樣的,但根據克卜勒第二定律,行星經過這三段弧的時間又是相同的,那麼只能得出一個結論,行星經過這三段弧的時候的速度是不一樣的。行星離太陽越近,公轉的速度會越快,反之行星離太陽越遠,則公轉速度越慢。

什麼力拉著地球轉?

因此,對於繞橢圓軌道的地球,每時每刻的公轉速度都是不一樣的,從近日點轉向遠日點過程中是由快轉慢,而由遠日點轉向近日點的過程中則是由慢轉快。所以題目前面的問題就根本不是問題了。不過我們倒是可以討論一下後面的問題:是什麼力引起地球這種公轉運動?

這個問題最早由近代物理學之父英國物理學家艾薩克·牛頓給與了解答,他認為行星運動是由彼此間的引力造成的。根據小學語文書的記載,當時牛頓的腦袋被樹上掉下來的蘋果砸了一下,頓時腦洞大開,領悟了萬有引力的奧秘……

由於加入了嚴謹的數學,牛頓的萬有引力理論很成功,在近兩百年的時間裡解釋甚至預言了太陽系行星的運動,在奧本·勒維耶和約翰·柯西·亞當斯分別根據觀察數據和萬有引力理論計算出海王星位置時,萬有引力理論達到了巔峰。

詭異的進動

但很快,隨著水星近日點異常進動的發現,觀測結果與理論計算不符,牛頓的萬有引力理論無法完美解釋這一現象。(水星是距離太陽最近的行星,其橢圓軌道的偏心率極高,達到0.2,近日點和遠日點距離分別是4600萬公裡和6981.7萬公裡,水星在近日點是發生超出牛頓理論預言的進動。所謂近日點進動,就是每次經過近日點時的位置都往前挪了一點。)

愛因斯坦與彎曲的空間

最終解釋這一問題的是愛因斯坦的廣義相對論。愛因斯坦比較厲害,他不用被蘋果砸,單憑一個思想實驗就領悟了引力的奧秘。關於這個思想實驗具體是什麼有不同的傳說,有跳樓版,有電梯版,有火箭版,反正蠻穿越的,總之最後領悟了等效原理就對了。

在等效原理下,彎曲的時空呼之欲出了,但要取代牛頓的萬有引力理論,數學公式是必不可少的。但愛因斯坦的數學沒有牛頓那麼NB,他搞了8年才把數學方程搞定,結果一算水星軌道進動,計算結果灰常符合觀測值,問題解決。愛因斯坦在廣義相對論裡,用空間的彎曲代替了引力,行星在彎曲的空間裡沿測地線運動,類似於平直空間裡沿直線運動。但當我們用平直空間的視角看彎曲空間裡行星的運動時,就會誤以為它被一個無形的力(引力)拽住做圓周運動。在彎曲空間裡不需要這個力,也就是在廣義相對論的彎曲空間裡,並不存在引力。

相關焦點

  • 為什麼地球繞太陽轉軌跡是橢圓的,而不是圓?
    題目說地球繞太陽轉,那就是地球的公轉,但地球公轉的速度並非固定不變,而是地球的公轉周期不變。 眾所周知,地球的公轉軌跡是一個橢圓的,而太陽處在橢圓的一個焦點。而地球能夠繞太陽公轉,,自然就是受到了萬有引力,但不能說橢圓軌跡是因為受到萬有引力的結果!
  • 地球公轉周期毫秒不差,為啥軌跡是橢圓?是有個力幹擾?來自哪?
    一,這個力來自太陽和地球之間的萬有引力,但它並不是地球公轉軌跡是橢圓的根本原因。地球繞著太陽轉,公轉周期的確毫秒不差。題目說運動軌跡是橢圓的,這點是對的,地球的公轉軌道的確是一個橢圓形。地球公轉的橢圓軌跡題目又說是因為有個力幹擾,這點也對也不對,這個問題下面再談。題目還問這個力來自何方?
  • 地球繞太陽轉,其軌跡是橢圓的,是不是說明有個力在進行幹擾?
    大家都知道,地球圍繞太陽作周期性運行的原因是太陽和地球之間的萬有引力作用,由於萬有引力和地球公轉產生的離心力之間處於平衡狀態,才得以確保地球不被太陽的引力吸走,也不會被甩出去。那麼,為何地球繞太陽運轉的軌道不是正圓而是橢圓呢?
  • 地球公轉軌道並不是毫秒不差,也不可能正圓形,你知道為什麼嗎?
    有人提問:地球繞太陽轉,速度毫秒不差,但是,軌跡是橢圓的,說明有個力幹擾,這力來自何方?這是一個缺乏基本常識的問題。首先地球運行毫秒不差是什麼意思?地球每年的運行都在發生著變化,如果嚴格地說每時每刻都在發生著變化。
  • 地球繞太陽一周就有四季的變化,那太陽系繞銀河系是否也有變化?
    春分時,同一經線地球自轉時,南半部太陽分先過正南,北半部分太陽後過正南。冬至和夏至,同一經線南北兩部分太陽同時過正南。用地球儀演示可以發現,只有春分秋分時地軸傾斜方向,與夏至冬至時地軸傾斜方向相反時,才能出現以上現象。事實證明,地軸不總是傾斜的指向同一方向,而是不斷旋轉改變的,地球在不停的搖擺運動,四季變化是地球搖擺運動形成的。肯定有影響。但銀河系的自轉是定型自轉還是正在生長的自轉?
  • 月球繞地球轉,地球繞太陽轉,太陽繞銀河系轉,銀河系繞什麼轉?
    我們提到了銀河系龐大的規模和體型,囊括四千多億顆恆星,數千個星團和一大批星雲物質組成的系統,它的直徑約為10多萬光年,中心的厚度約為6000多光年,而我們的整個太陽系統就圍繞著這個龐然大物轉動
  • 地球繞太陽運行,是什麼力讓地球在近日點加速的?
    我們都知道地球繞太陽運行,其軌道為橢圓形,在進入近日點運行速度會加快,在遠日點運行速度會降低,根據牛頓第一定律,物體在沒有受到任何靜外力的作用下,會一直保持目前的運動(靜止)狀態,那地球速度的增加還有緩慢是什麼力在起作用呢?
  • 地球繞太陽轉,太陽繞銀河系中心轉,銀河系繞著什麼轉?
    太陽的東升西落是由地球自轉引起的,除了自轉之外,地球還會繞著太陽公轉,繞行一圈的時間為一年。不過,從更大的宇宙尺度來看,地球繞太陽的公轉軌道並不像我們通常認為的那樣是閉合的。太陽離銀河系中心約為2.6萬光年,繞行速度為每秒230公裡,每2.3億年繞行銀心一圈,這意味著太陽誕生至今轉了大約20圈。
  • 為什麼地球的運行軌道是橢圓的?
    地球公轉軌道是橢圓一,地球繞太陽的公轉軌道的確是橢圓,這是因為地球的運動速度與它所處的位置不匹配。不同位置距離對應著不同的速度,距離越遠,速度越小。二,形成橢圓軌道的理論分析如果地球的實際運動速度大於理論計算作圓周運動的應有速度,那地球的軌跡就會脫離圓周運動,開口變大,原因當然是這個速度做圓周運動需要的向心力大於太陽的引力。
  • 地球繞太陽一圈自轉365圈,我們卻感覺不出來,真是太有意思了
    1年的時間內地球圍繞著太陽轉了多遠呢? 地球圍繞太陽公轉的軌道是一個橢圓。地球位於近日點的時候距離太陽大約1.471億公裡,位於遠日點的時候距離太陽大約1.521億公裡。 兩者相差了大約500萬公裡。這樣我們可以地球的公轉軌道周長大約是9.4億公裡。
  • 地球繞太陽運行的速度會逐年變慢嗎?
    每年,地球繞軸旋轉一圈時,繞太陽旋轉一圈。在逐年的基礎上,我們的軌道變化微乎其微,以至於幾乎無法察覺,因為與行星繞太陽公轉的總時間(約45億年)相比,一次公轉(1年)的持續時間很小十億年)。然而,我們對宇宙的了解足夠廣泛,而我們的現代儀器也足夠敏感,我們不僅知道地球的軌道會隨著時間的推移而略有變化,而且我們可以量化並確切地說出這些變化將是什麼。
  • 地球的公轉軌道速度大於第三宇宙速度,為什麼地球沒有飛離太陽?
    ,即V1=√GM/r,計算出這個第一宇宙速度大小為7.9公裡/秒。物體從地面如果想脫離地球直接繞著太陽轉,所需的初始運動速度必須更大,這個速度的最小值被稱為「第二宇宙速度」V2,由於篇幅原因,這裡只給出公式和結果:V2=√2GM/R,即第二宇宙速度是同一軌道公轉速度(第一宇宙速度)的√2倍,即7.9x√2=11.2公裡/秒。
  • 地球繞太陽轉一圈需要1年,那太陽系繞銀河系轉一圈需要幾年?
    地球繞太陽旋轉產生的季節變化人類根據細緻的觀測和計算,最終算出地球繞太陽一周所需要的時間為365天,為了方便記憶,人類又發明了另一個時間單位「年」,地球繞太陽轉一周就是1年,而1年就擁有365天。地球繞太陽一周需要1年已經成為常識,就連小學生都知道這樣的知識,不過地球在圍繞太陽旋轉的時候,太陽攜帶著八大行星在也圍繞它的上一級天體銀河系旋轉,地球繞太陽轉一圈需要1年,那太陽系繞銀河系轉一圈需要幾年呢?
  • 我們其實並非繞著太陽轉?那地球繞什麼轉?科學家親制動畫解釋
    不繞太陽中心轉,那繞什麼?大家都圍繞的那個點,是由太陽系的質心(Center of mass),稱為引力中心(Barycenter),以這個點為中心,四周質量才會達到平衡。而這個引力中心,(經常)不在太陽的正中心,也因此以太陽為中心的說法,並不完全正確。為了解釋這項說法,日本宇宙航空研究開發機構的科學家 James O』Donoghue 製作了一個動畫解釋,影片中以太陽、土星(Saturn)、木星(Jupiter)為例,描繪三者在宇宙中圍繞著引力中心「拔河」的現象,使得太陽也會有微小的繞行軌道。
  • 地球為何一直圍繞著太陽轉就不會掉到太陽上去呢?
    關鍵就在這個「轉」字。如果地球不轉了,包括圍繞著太陽公轉,地球的唯一出路就是掉到太陽裡焚毀。地球在不停的自轉,也在不停的公轉。地球自轉每秒赤道線速度約460米,地球圍繞著太陽公轉線速度每秒約30公裡。主要是這公轉速度,正好抵消太陽引力。地球圍繞太陽公轉,這個速度一直向前衝的離心力企圖掙脫太陽引力,而太陽引力表現為向心力,一直想把地球拉扯到它的懷抱,這兩種力正好抵消了。地球也逃不掉,太陽也拉不過去。
  • 月亮圍著地球轉,地球圍著太陽轉,太陽圍著誰轉?銀河系繞什麼轉
    眾所周知,月球是地球的衛星,日夜不停地圍繞地球運動,幾乎大約27天就可以繞地球轉一圈。而我們的地球是太陽系中八大行星之一,也在太陽的帶領下,跟著太陽做螺旋式前進的運動。對於太陽系中的各個行星而言,即使是算上所有的八大行星和小行星,太陽集中了整個太陽系99.8%的質量,以至於太陽和各行星的共同質心甚至在太陽內部,太陽對其的繞轉可以忽略不計,這時候我們說「地球繞著太陽轉」。地月之間也是一樣的道理。
  • 如果地球改變了軌道,那會給人類帶來什麼後果?
    我們所居住的這個行星(地球)環繞著太陽系的恆星(也就是眾所周知的太陽)做連續的橢圓運動。地球除了圍繞太陽公轉以外,還會沿著它自身的自轉軸自轉。儘管我們從未注意到,但事實上地球一直處於運動之中。在地球上生活久了以後,你可能已經對地球的運動方式習以為常,但你是否想過:如果地球改變圍繞太陽的這個軌道,會發生什麼?
  • 地球不繞著太陽轉?科學家:太陽系所有天體繞一個看不見的點轉!
    相信在絕大多數人的印象中,月球繞著地球轉、地球繞著太陽轉、太陽是太陽系的中心……聽起來似乎沒有問題,但這個說法並不完全正確。發表於《天文物理期刊》的一項研究表明,雖然是太陽創造了太陽系,但太陽系裡的所有天體都在繞著一個看不見的點在轉,包括太陽也是。
  • 我們的地球在以怎樣的速度圍繞太陽運轉呢?
    我們也知道,地球繞太陽一周所需的時間是一年。所以,為了知道速度,我們只需要計算出當地球繞著太陽轉一圈的時候,所經過的距離。為了做到這一點,我們將假設地球的軌道是圓的(這並不完全正確,它更像是一個橢圓,但為了我們的目的,一個圓是足夠接近的)。所以一年所走的距離就是這個圓周長。記住,圓的周長等於2×π半徑。
  • 地球繞太陽轉月亮繞地球轉,為啥沒有星球繞月亮轉?衛星還有衛星...
    地球繞太陽轉,月亮繞地球轉,為啥沒有星球繞月亮轉,衛星還會有衛星環繞運行嗎?可能很多人都會有這樣的問題,其實這問題不難解答,基本可以肯定地回答,這個可以有,衛星的衛星叫「護星」。但奇怪的是,我們怎麼沒有發現過「護星」這種衛星的衛星呢?