恒星或行星吸引力是如何与卫星的离心力达到平衡的?

雷音震震


这就是速度。引力与速度的关系是宇宙中达成运动平衡的基本规律。

牛顿的经典力学认为,自然界中任何两个物体都是相互吸引的。引力大小与这两个物体的质量乘积成正比,与他们距离的平方成反比。这就说明了恒星或行星之间的相互吸引都是受质量、距离的影响。

这样就得到了万有引力的计算公式,即引力常量乘以两个物体质量的乘积除以它们距离的平方。(见下图)

太阳系里目前已知有8颗大行星,5颗矮行星,173颗卫星(据说最近又发现了木星新的卫星,暂未统计在内),和无数的小行星、彗星、星云物质。太阳带着这个大家族,按部就班各得其位。

虽然会有个别不按规则出牌的小行星偶尔脱离轨道制造点麻烦,绝大多数还是稳定的运行着,就这样,几十亿年过去了。

这种平衡是怎样做到的呢?时空通讯认为这里面有两个规律:一个是归结于太阳系的起源;二是引力与速度的平衡。

爱因斯坦广义相对论认为,引力的根源是具有静止质量的天体对时空的扭曲。

凡有静止质量的天体都会对周边的时空造成扰动,小到一只蚂蚁,大到一个星系都是这样。不过小的物体影响极其微弱,很难测量,而且对观察和生活影响都不大。大的天体就比较明显了。

大质量天体对时空的扰动表现在对周边时空造成凹陷或漩涡,现在科学界常常用网或者床单来比喻平坦的空间。

在一张绷紧的网或者床单上,如果放上一个比较重的铁球,就会把床单或者网压出一个凹陷,经过其附近有一定速度的小球就会沿着这个凹陷的边缘做螺旋运动,最终下落到大铁球上面。

在现实中,两个天体这种运动就表现出了互相吸引的现象,这就是万有引力的本质。

这样就产生了速度与引力的关系。

这个关系在地球上用三个宇宙速度表示,是根据地球与太阳的质量距离关系确定的。

我们依然用上述那个平坦网或床单为例,当接近大铁球的小铁球速度比较小时,就会沿着凹陷的边缘螺旋下坠到大铁球上;但小铁球速度比较快时,就会沿着大球凹陷的边沿切线逃出,滚向的远方;当速度不大不小就会在凹陷的边缘作圆周运动,不离开也不掉下去。当然这个实验做不了多久,小铁球速度就会慢下来,然后不可避免地掉入凹陷中。

这是因为铁球在网上或者床单上滚动有很大摩擦力,也有空气阻力,所以没办法一直坚持不大不小的速度。而在太空中,没有阻力也没有摩擦力,只要达到一个速度就会一直按照这个速度运动下去。

这种速度是多少呢?科学家早就给出了答案。在地球上,第一宇宙速度为每秒钟7.9公里,为环绕速度,达到这个速度,物体就会围绕着地球运行,既摆脱不了地球的引力,也不会被引力拉向地球怀抱;第二宇宙速度是脱离速度,每秒钟为11.2公里,达到这个速度就可以脱离地球引力,飞向远方;第三个速度就是逃逸速度,每秒钟为16.7公里,这个速度是在地球这样与太阳的距离,逃脱太阳引力飞出太阳系的速度。

但这并不是地球本身相对太阳的速度,而是地球上物体与地球的引力和速度关系。

太阳系的所有行星都是在太阳引力下一定距离轨道上按照环绕速度运行着,它们的速度与太阳距离密切相关,距离越近的行星速度就越快,距离越远的就越慢。

八大行星距离太阳按照从近到远公转速度分别是(公里/秒):水星47.89、金星35.03、地球29.78、火星24.13、木星13.06、土星9.64、天王星6.81、海王星5.43。这个速度完全吻合万有引力定律。


至于这个速度为啥不快不慢,八大行星都正好是环绕速度,这应该与太阳系的形成有关。

太阳系和宇宙所有恒星形成的规律是一样的,都是起源于一团巨大的分子云,在中心引力的作用下导致星云的坍缩,向中心集聚,渐渐形成了一个旋转着的星云盘,也就是引力漩涡。

随着坍缩的加速和中心密度的递增,一颗恒星星胚就就在星云中心形成了,在中心巨大的压力和高温下,热核聚变发生了,热核聚变巨大的张力抵消了引力坍缩,恒星就进入了主序星阶段。

太阳系中的老大太阳,在形成时就吸取了整个星云的99.86,而其余的星云残渣就逐渐聚集成了八大行星、矮行星、卫星等,它们保持了太阳系形成时星云漩涡转盘角动量。

在太空环境无阻力的真空状态,它们就这样一直保持着这种状态。

虽然行星从形成初期到现在的角动量有了一些变化,一些行星的轨道变远了,但它们随着距离的变化而受到引力的制约,角动量也随之减小。

这就是太阳系以及行星与卫星之间保持引力与离心力平衡的内在规律。

这种星体质量与距离的运行规律不但在太阳系,在星系以及总星系团乃至整个宇宙都遵循着这个规律。

太阳表面的逃逸速度为每秒617.7公里,太阳围绕着银河系中心转动,公转线速度为每秒钟约250公里,银河系属于有50个星系组成的疏散本星系群,一起围绕着本超星系团中心运行,公转一周需要1000亿年。其线速度由于参照系较为复杂,目前尚无一个准确的数据,有人测算每秒约600公里。

整个宇宙就是这样运行着的,宇宙中有几千上万亿个星系,都是在这种规律中运行。

当然也有因种种原因不按规则出牌的少数个案,比如在银河系就发现几颗运行极快的恒星,其中一颗名为US708的自由恒星以每秒1200公里的速度向银河系外飞去,科学家给出的原因是银河系中心强大的引力场撕裂双星,一颗被黑洞吞噬,另一颗被快速抛离。

总之,引力表现为向心力,速度表现为离心力,宇宙中各恒星系、星系、星系群、超星系团引力与速度达到某种平衡,各安本分各司其职生生不息就是宇宙运行的基本规律。

除了可见部分,暗物质暗能量也在其中起着至关重要的作用。

这就是时空通讯对这个问题的看法,欢迎点评。感谢支持关注和理解。


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