03.03 为什么行星轨道是椭圆的?

张溢解密


行星的轨道大部分是椭圆,这是有一定的观测基础证明的,我们知道在开普勒三大定律中,第一个行星运动定律就是,所有的行星都是围绕着恒星作椭圆运动。而恒星在该椭圆的一个焦点上。这个定律其实用物理上的逻辑推理来构想,并不难理解。

例如太阳和地球的关系,这个二体系统同样也是存在椭圆的行星运行轨道,我们身处地球就能很明显的感受到,四季交替和远近日的点的存在,这都说明我们围绕太阳绕转的轨道是椭圆的。

一般来说,一个二体系统,其一都是在作匀速圆周运动的,但宇宙空间中的并不存在完美的二体系统,往往会因为外部因素的影响,而使得运动轨道发生偏移。在宇宙中,行星在围绕恒星绕绕转的过程里,如果仅仅只是受到恒星引力与行星引力的相互作用的话,那么毫无疑问它们会是作匀速圆周运动的,但正是由于除了这两种引力外,还有其他引力的影响,才会使行星的运动轨道变成了椭圆。

也就是说,在地球围绕太阳的公转过程中,地球还受到了除太阳引力外的其他引力影响,椭圆的轨道,就更多的是地球对附近所以引力的一个折中的运行轨道。还有一个原因是,在原始的行星上,受到了其他天体的一系列扰动,造就了如今行星的椭圆轨道,这是行星摄动理论。

所以行星的轨道大部分是椭圆而不是标准的圆,归功于其他天体的引力干扰。


深空电报


理论上,行星诞生于原行星盘中气体和尘埃的吸积,原行星盘是个圆而扁平的圆盘,所以形成的行星原本也都是圆形轨道且轨道处于黄道面上的。也就是说所有行星诞生时的轨道应该都是圆形的,而且事实上如果我们对椭圆的定(要)义(求)不那么严格的话,太阳系内所有行星的轨道(除了水星)其实都近乎圆形,肉眼根本看不出椭圆来。

我们通常用偏心率e来描述一个天体轨道的椭圆程度,偏心率体现的是轨道长轴和短轴的差异。e=0时就是标准的圆形,而e越大越大椭圆程度越高,e≥1时轨道不再是椭圆轨道。


而太阳系八大行星(除了水星)的轨道偏心率其实是非常小的,不到0.1,完全可以近乎视作圆形轨道了,而那一丢丢“扁”的部分,主要是由于各个天体之间引力的相互影响,水星受到的影响最大,所以只有它的离心率有0.2.


不过,自从1995年第一颗系外行星被发现,至今人们已经发现了超过三千颗系外行星,人们发现系外行星很多气态巨行星的轨道……那是真的特别椭圆……偏心率甚至可以接近1,也就是说这些巨行星的轨道曾经受到过其他大质量天体引力的剧烈影响。由此产生的一个推测是,太阳系中八大行星的轨道之所以如此圆,可能是因为太阳系中只诞生了木星和土星这两颗气态巨行星,所以各个行星之间引力的影响都不太大,而如果一个恒星系统中诞生了三颗甚至更多气态巨行星,那么它们之间的引力作用可能就会完全打乱彼此的轨道,使这些行星的轨道变得非常椭圆了。


haibaraemily


俯仰君陪你解答科学问题

行星运动轨迹是椭圆。近日点时速度快,远日点时速度慢。

我们都知道,当一个物体在做轨迹为正圆的圆周运动时,它运动轨迹的半径处处相等,这就需要它处在一个完美的没有外界不确定因素干扰的状态。

而行星的运动显然不可能处在这样的状态。

假设一个恒星系在刚刚形成时的一瞬间,行星在围绕恒星运动时的轨迹是绝对的圆,行星受到中央恒星的引力作为向心力。行星的运动状态为匀速圆周运动。

然而这个状态不会是一成不变的,会有相当多的因素来打破这种完美的状态。

  1. 现实中行星会受很多天体的引力影响。别的行星引力扰动,自己卫星的引力扰动或者是偶遇的小行星的引力扰动。都会使这颗行星被稍微加速或减速。

  2. 恒星会不间断地发射太阳风,太阳风对于行星运动的加速或减速(地球远离太阳时加速,接近太阳时减速)效果极其微小,但是再微小的影响积累几十亿年就会变得不可忽视。
  3. 行星的形状是不规则的,并不是完美的球体,而且多数行星还在不停地自转。在自转过程中,行星的重心会不时地远离或接近恒星(变化幅度极小)。

......

以上种种因素都是干扰行星做规则圆周运动原因,任何一个因素都会打破这种完美的状态,从而使行星变为椭圆运动。


仰望星空俯瞰世界


1.首先我们想象一下空间是一张布,中间放个铁球,布会凹陷下去,变成一个漏斗形状

2.然后把这个漏斗想象成一个大漩涡,如果有船被卷进漩涡里,如果船的速度没有漩涡旋转速度快,船会慢慢掉进漩涡中心,如果速度相等(第二宇宙速度),那船会绕漩涡边缘一直走,如果船的速度再快(第三宇宙速度)船就会开出漩涡外边,注意:彗星的运行轨迹速度够快,但是切入的方向不一样,因此就变成了一个很大很大的椭圆形,近日点速度最快,是被漩涡吸进去的。

3.再把上面的铁球想象为太阳(质量很大),其他行星比作船只,就可以想象到太阳系平面的运行模式

4.太阳系又绕银河系中心运动,那是一个更大的漩涡,因此太阳系应该是一个绕大漩涡(银河系)边缘运动,漏斗底部向前的运动模式,行星是位于太阳靠后的一个平面,距离越远,越靠后



5.布只是一个平面,而空间是三维立体的,那重的铁球放在空间,就形成了空间塌缩,这里就可以模糊的解释有些恒星附近的时间扭曲



6.那么相应的恒星附近时空密度增大,光线通过恒星附近所需的时间也增加,上图可以直观的反映出这点。

7.因此我们看到科幻片中的曲率加速是可以实现的,如后面制造一个体积小的,质量非常大的一个物体,那附近的空间就会压缩,从而实现空间跳跃

8.为什么轨道是椭圆,因为行星的速度会因空间阻力一直会变化(一般来说没有星系外的恒星吸引的话是在减小),因此迟早会落入恒星内部,想象必然是椭圆

转载请注明原作者 创建于2018.1.18


大灰狼-27298456


牛顿发现,在平方反比力如重力的作用之下,任何天体都会沿着圆锥曲线运动。圆锥曲线包括圆、椭圆、抛物线和双曲线四种。

牛顿判断,天体绕着太阳运转,其轨道必然只能是上述四种形状中的一种。感觉有点像下图:

上述四种轨道的区别在于离心率:

l 圆形:0

l 椭圆形:0

l 抛物线:1

l 双曲线:>1

既然有四种选择,为什么行星偏偏要选椭圆形轨道呢?

1. 太阳系已经有46亿年了。那些沿着抛物线或双曲线轨道运行的行星早就离开太阳系了。

2. 圆形轨道要求离心率必须正好等于0。实际操作十分困难。

3. 椭圆形轨道的离心率则可以介于0到1之间,相对来说就容易得多了。


小鸽子看世界


你好,这个问题涉及到了引力和斥力以及电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。

宏观上:比如地球绕着太阳,月球又绕着地球等等这些运动。他们的运动轨迹都是椭圆的,但没有绝对圆的和绝对椭圆的。这是因为牛顿的万有引力理论。事实上,地球既要收到太阳的引力同事也受到月球和其它所有物体的引力!引力的大小和物体间的距离有关。换句话说就是物体越大距离越近,它们之间引力越大,反之则小。

宇宙中有太多的物体,它们距离地球的远近各不相同。在一定范围内引力的作用是可以忽略的。所以星体在绕着一个物体运动时也会被其他大的或者近的物体“拉一下”。所以轨迹就变得曲折不规则了。

反观原子。电子绕着原子的运动也不是规则的,它们就涉及到电子之间的同性相斥异性相吸。还有原子核对电子的引力等等。

总而言之就是因为涉及到力的相互作用和转换,导致了物体运动轨迹和方向的改变。谢谢回答。


江湖的大师弟


近似的圆也是有可能,要保持圆形轨道必须保证行星的质量(所受的引理)在一个距中心天体相符合自己的一定的距离上,而且其初始的进入角也必须是一定的,也就是,质量距离,进入角度必须严格相互符合的一致。但是想把这三个条件都凑齐几乎是很难的。这是原因其一。就算凑齐了这三个条件也不能使其完全的在圆形轨道上。行星在轨道上运行所受的力有两个方向上的力,一个垂直与运动方向的向心力,一个是运动方向的牵引力。垂直方向的力负责改变运动的角度,运动方向上的力负责改变其速率。原因就出在这个垂直方向的力上。我们知道一个一定质量的物体距离中心天体的距离决定其受的引理大小。就是其重心到中心天体的距离。但是行星的运行轨道是其球心到中心天体的距离。重心永远比球心到中心天体距离小,换句话说。自己所受的力永远比自己运行所需要的力大那么一点。而且距中心天体越近就相差越大,反之则相反。在圆的轨道上因为垂直方向上的力大那么一点就不可能在保持原来的圆形轨道了。从天体数据上来计算这种差别几乎是很小的,像地球相对与太阳这种现象几乎小到忽略不记。但是像靠近太阳最近水行就不样了。它的现象就比较明显,所谓的必须用爱因斯坦才能解释的椭圆轨道的进动性就是这个现象。


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其实在地球表面抛掷物体所走的轨迹并不是什么抛物线,而是实实在在的椭圆线!所谓抛物线这是一种近似!关于这一点,如果不是系统学过理论力学的,只学过初中的物理的话就不一定能赞同这个观点,因为所谓“抛物线”早已经被不假思索而深入人心,尤其名称就是“抛物线”,自然就被认为是天经地义的抛物的轨迹线,但其实不然,真正的抛物的轨迹线是椭圆,其中一个椭圆的圆心就是地球的中心。“抛物线”只是真正抛物轨迹的近似曲线,而不是精确的曲线!


天高云飘


八大行星轨道太阳以椭圆形的方式主要是因为重力相互作用。太阳有引力,大多数行星也是如此;其他天体也是如此,这些力相互作用的方式,或者相互吸引或者排斥,都会导致轨道运行。大多数物理学家和天文学家认为行星轨道应该完全循环。许多人说,它们实际上是椭圆形的,比其他任何东西都与外力和方差误差有关。德国天文学家约翰内斯·开普勒是第一个出版证明椭圆轨道的材料,他的理论仍然被认为是决定性的。他们被艾萨克·牛顿和艾伯特添加并扩展爱因斯坦,等等。

太阳系基础

众所周知,太阳系包含八颗行星,包括地球,它们以不同的间隔围绕中心太阳,每颗行星都在自己的椭圆轨道上。水星、金星、地球和火星一起构成了所谓的 “内部” 太阳系。这些行星旋转最快。更远的是,人们发现了由木星、土星、天王星和海王星组成的 “外部” 系统。这些行星彼此坐得比内环上的行星远得多,它们的轨道也往往大得多。所有的轨道都是椭圆形的,尽管除了水星,它们倾向于出现几乎是圆形的通常只有通过激烈的数学计算,人们才会发现它们实际上是椭圆形的。

偏心的影响

开普勒是 1600 末第一个识别椭圆形状的人。他想出了三个相关的 “法律行星运动”以某种精度量化轨道运动。通过这些定律,他能够解释行星在一个焦点与太阳一起移动的平面上,并确定椭圆的形状应该根据偏心率来测量;即,越偏轨道,越长。开普勒没确定为什么他们轨道在椭圆中,但是他的基础被其他提出具体解释的物理学家使用。

重力的重要性

牛顿的研究得出结论重力起主要作用。通过一系列的计算,他能够表明行星和太阳相互拉动,因为太阳也对它们施加重力拉动。这产生了挤压轨道的效果,在封闭的系统中,当重力拉力相互作用时,人们可能会期望轨道是圆形的。考虑这一点的一种方法是想象许多手拉太妃糖。

空间曲率

广阔空间的物理形状也有所贡献。爱因斯坦的理论相对论也有助于完成为什么行星的解释轨道太阳以椭圆形的方式出现,因为轨道的一部分形状是行星作用在它们周围的时空上造成的空间曲率的结果。由此产生的空间的 “弯曲” 对运动有比例的影响,它迫使可能是圆形的东西变平并拉长。

数学应用

在大多数情况下,测量轨道和计算行星速度和运动的唯一准确方法是进行一些有点复杂的数学计算。人们可以计算轨道个别行星以及像这样的实体彗星使用开普尔、牛顿、爱因斯坦和随后建立的数学规则,他们也可以使用方程来跟踪随时间变化的程度。这些信息对许多应用非常有用,从编程望远镜进行观察到确定接近造成的威胁程度彗星或小行星.

随着时间的推移而变化

对于人们来说,重要的是要记住,为了便于理解,许多对行星轨道的描述都是简单的,许多人将太阳作为一个固定的物体放置在行星四处移动的空间中。事实上,太阳和行星一起运动,当它们在太空中移动时,轨道的精确形状也变化。在讨论行星的方式时,应该记住这一点轨道围绕太阳,因为整个轨道系统实际上在移动。


纬度视角


其实这一问题很简单,题主也说出了答案只是自己不敢肯定罢了。

行星轨道


其实我们在高中物理学习万有引力定律和圆周运动时就已经知道,物体作圆周运动的原因是因为受到一些力,而这些力共同产生的效果使物体的轨迹和圆一样,而我们这个效果用向心力来详细描述,所以老师也反复叮嘱过向心力只是效果力,不能说物体受向心力。


那么为什么行星的轨道不是圆形的呢?这很简单高中物理所学的知识是建立在理想模型之上,其真正自然意义上的圆周运动几乎不会存在。而且我们要知道正圆是椭圆中最为特殊的一种情况,稍有一丝外力影响轨迹就不可能是圆。


在宇宙中由于天体质量很大,纵然它们之间的
距离很远,但他们之间的引力却不能忽视。因此每一个行星并不是只受一个引力,拿地球来说它不仅受到太阳的引力,还要受其他七大行星的引力以及月球等其他天体的引力,所以就注定不可能是完美的圆周运动。

其实开普勒也早以提出三大定律:

开普勒在1609年发表的伟大著作《新天文学》中提出了他的前两个行星运动定律。行星运动第一定律认为每个行星都在一个椭圆形的轨道上绕太阳运转,而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上。行星运动第二定律认为行星运行离太阳越近则运行就越快,行星的速度以这样的方式变化:行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等。十年后开普勒发表了他的行星运动第三定律:行星距离太阳越远,它的运转周期越长;运转周期的平方与到太阳之间距离的立方成正比。



当然因为考虑到理解问题,以上只是小科最简单的解释,大家理解哦😀如果有更加细致的解释可以评论和小科交流😝



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