03.05 為什麼行星繞日是橢圓軌道,而不是正圓軌道?

地理愛好者


當然可以解釋。從理論上講,行星繞太陽的公轉軌道是圓形的概率非常非常低,低到幾乎為0。即使銀河系中真的發現了一個軌道是圓形的行星,它的圓形軌道也不會一直保持下去。



假設行星的軌道是標準的圓形,可以列出萬有引力提供向心力的表達式GMm/r²=mv²/r,其中G是萬有引力常量,M是中心天體的質量,m是行星的質量,r為軌道半徑。由此可以知道,在一個確定的軌道上,行星線速度的大小是一個定值。


把行星放到距離太陽為r的地方,只有行星的速度大小嚴格滿足定值,並且速度的方向和行星與太陽的連線嚴格垂直的時候,行星才能做標準的圓周運動。如果稍有偏差,行星的運動軌跡就會變為橢圓。

而且,宇宙中並非是嚴格的真空,行星運動的時候還會受到微弱阻力的影響。還有,恆星甚至行星的質量也並不是嚴格不變的,這樣行星所受的萬有引力也會發生變化。即使真的有一顆行星某一時刻恰好滿足做圓周運動的條件,很快這種條件就會被打破,行星又開始了沿橢圓軌道的運動。


刁博


因為太陽在公轉。

太陽在公轉的同時通過萬有引力作用甩轉了整個太陽系,正是這種甩轉作用,所以太陽系行星運動具有同向性、近圓性、共面性,以及遠日點和近日點,這也導致軌道為橢圓。又由於太陽軌道並非直線而是曲線,所以行星運動又具有不同程度的進動現象,且進動方向應在太陽軌道內側。

太陽公轉時對行星有牽引、甩轉、加速作用,這種作用會對行星作功,所作功為行星運動提供動力,從而克服太空阻力而飛行。行星在公轉的同時又帶動了自身自轉,有公轉必有自轉。

宇宙中大小天體、星系普遍存在這種“甩轉作用”,級級相連,層層傳遞運動能量。即銀核公轉時甩轉了銀河系;其中之一太陽獲得能量繞銀核公轉,同時甩轉了太陽系;其中之一地球獲得能量繞太陽公轉,同時甩轉了地月系,當然也甩轉了人造衛星、空間站等人造天體!級級上推,終極動力則來源於宇宙星系循環演變過程!

此是正解,其餘說法都是因為橢圓,所以橢圓???

詳細論述辯證可參閱<原創新觀點之一:甩轉假說>和<原創新觀點之五:宇宙模型假說>。

附:甩轉作用作功表達式,W=FS=Fscosθ=fs,W為地球一個公轉週期<1年>太陽引力對地球所作的功,F為地球與太陽間的引力、S為地球一個公轉週期太陽位移,θ為太陽引力方向與地球公轉方向的夾角,f為地球公轉阻力、s為地球一個公轉週期軌道長度。其餘類推。




青山綠水250400698


【為什麼行星的軌道是橢圓的?】

萬有引力!所有可見的物質都具備它!因為行星不止一顆,行星與行星之間都會受到彼此引力的影響,這就是它們之間的攝動或軌道共振。

首先我們從逆向思維來思考,如果物體做完美的圓周運動,那麼它將不受任何來自外力的干擾。想象一下,這肯定是不可能的,因為宇宙中的物質太多,多少都存在萬有引力對其的干擾。比如我們的太陽系,除了8大行星以外,還可能隨時會有遠處飛來的彗星以及小行星。(萬有引力可以用在短時期事件中)

當軌道離心率e=0時,便是做圓周運動,但幾乎是不可能的事情。當軌道離心率為0-1時,便是我們熟知的橢圓軌道,我們所有的行星就是這樣的軌道。它必須是這樣的軌道,因為它們之間都會互相影響,以此橢圓軌道來穩定各自的運動。當軌道離心率e=1時,便是拋物線軌道。當軌道離心率e大於1時,便是雙曲線軌道,如彗星的軌道。

在太陽系行星中離心率最低的為金星,其離心率值小於0.01,約為0.007,這是什麼概念?意思就是金星的軌道最接近於圓形,但還是不是圓的,會受到其它行星引力擾動的影響。水星擁有太陽系行星家族中最大的離心率(約0.2408),圍繞太陽公轉的軌道是很“顯眼”的一個橢圓。

還有一點需要知道的就是軌道共振,它可以是軌道穩定的運行。軌道共振,粗略的講就是兩個天體之間的公轉週期性有著簡單的整數比,如某一天體公轉2周,另一個天體恰好公轉3周,這樣它們的軌道一般很穩定(但有例外)。

最後引用斯蒂芬·霍金教授《大設計》裡面的話:“這一切都是上帝創造出來給我們看的……,如果您能理解為什麼會這樣的話,那麼您將會見到上帝本人。”


天文在線


其實行星的軌道並不是橢圓,甚至不是閉合曲線,因為從廣義相對論的角度考慮,引力會導致空間扭曲,使得實際的行星軌道偏離經典牛頓力學給出的橢圓軌道。

近似

對於不同的問題,可以取不同的近似方式。

比如水星進動,考慮廣義相對論和不考慮廣義相對論帶來的誤差是每年4.3秒,在大部分粗略的軌道計算中是可以忽略的。而在更粗略的問題中,比如,計算哪個月有金星凌日,行星軌道就可以假設成正圓,這個時候都不用考慮金星的橢圓性。


所以圓形軌道是偏心率比較小的橢圓軌道的近似,橢圓是對行星軌道更精細的描述,而考慮廣義相對論的空間扭曲,是對行星軌道更精細的估計。


Pjer地學天文


提問者這個圖實際,正確,橢圓形軌道確實與萬有引力為主導,這個圖就是一個力的方向,似水波流動力,以前回答過,這個力就是宇宙電磁波場規律流動方向,也是宇宙在自轉,為大環前行力,而太陽對幾大行星之引力為小環力,兩個力的較量,在軌道某個段面,一個前拉,一個往回繞行,故成橢圓形,如果只有太陽一個引力,繞日軌道必然是正園形,橢圓形軌是形成行星四季的根本道理,就是說兩個力作用下地球以赤道面為準之上下規律傾斜形成四季,宇宙波場粒子前行力為宇宙總引力,是它帶動星系前行,當然必然影響行星,並不是時時吹虛的黑洞力,橢圓形軌道也反過來證明宇宙電磁波場粒子在規律自轉。

自從我發表以來,舊論又穩不住了,又開是提問糾纏,鐵的事實和道理,就是不服,說白還是妒忌心,包括某些專家,單一一個力無法形成行星的橢圓形軌道,要想撼動行星軌跡非一般常力。

黃氏宇宙新論,引用聲明,終極解釋,不服留言。

希望頭條多發,反覆回答就是累。


原黃烈平


沒有絕對的圓也就是兀無法算盡的道理。任何物體在自由運動中都是以圓在運動,比如把人蒙上眼晴不讓看見周邊物體,也是按圓走的。


藍天182552231


軌道半徑和速度要剛好匹配才是正圓軌道,差一點就成橢圓軌道了。


ScholarMartin


由於銀河系的作用力的緣故


1369758


答:一般的解釋,用開普勒定律就行了;要去證明這個結論,對數學有較高要求;不過相信有部分讀者,希望我能給出嚴格數學的證明,那我們就來試試吧!


萬有引力的歷史

開普勒定律,在1618年由德國科學家開普勒提出,開普勒第一定律就指出了行星運行的軌道為橢圓;萬有引力定律,在1687年,由牛頓於《自然哲學的數學原理》上發表。



兩者是統一的,開普勒定律是萬有引力的表象,意味著我們可以由萬有引力定律,去推導開普勒三大定律。


在歷史上,最先有萬有引力和距離平方成反比想法的,是英國科學家胡克,就是那個對牛頓來說嫉惡如仇的胡克。

最先胡克是牛頓的領導(英國皇家學會會長),胡克在數學上遠遠不及牛頓,雖然胡克有了萬有引力的想法,但是僅限於想法而已。

好比某些民科,天天嘮叨這個是錯的,那個是不對的,我的說法才是對的!然而,並沒有什麼用,因為他只會做“猜想”,然後什麼也做不了!(當然,我的意思並不是貶低胡克,胡克也是一位偉大的科學家)



胡克就失敗在這裡,不然發現萬有引力的皇冠,就是他的了!

胡克還是英國皇家學會會長時,請教過牛頓,問牛頓是否能通過“引力和距離平方成反比”,來推導行星橢圓運動規律,牛頓給胡克的回答是肯定的,但是並沒有告訴胡克具體的推導過程。

牛頓大神利用自創的微積分,加上天才的頭腦,推導行星橢圓軌道,簡直就是易如反掌。

以至於後來牛頓和胡克,因為“萬有引力第一發現者”而結仇,當牛頓坐上英國皇家學會會長的位置後,恨不得把胡克打入“十八層地獄”。


萬有引力定律推導橢圓軌道

在這裡,我們不用牛頓的證明方法,我們藉助虛數的性質來證明,會更容易些,但是過程並不簡單。

第一步:

萬有引力定律大家都知道,但是大家知道萬有引力的矢量形式嗎?



其中(-e^iθ)藉助歐拉公式後,表示的就是單位大小的矢量因子,給出了萬有引力的方向,同時與萬有引力結合參與運算;至於負號,是因為θ=0時,萬有引力方向指向原點;然後利用牛二定律,得到加速度a。


第二步:

這裡,我們需要來研究一下,速度和加速度極座標的微分形式:



請記住這兩個方程,後面需要反覆用到。


第三步:

根據前面萬有引力得到的加速度公式,和(2)得到微分方程:



是不是有點嚇人!


第四步:

不過注意啦!我們引入虛數是有原因的,我們讓實部等於實部,虛部等於虛部,就能化簡為兩個微分方程。




第五步:

對於第一個微分方程,不就是一個分部積分嘛,立馬得到:



其中c1為積分常數,有人可能看出來了,這是開普勒第二定律——面積定律!我們得到了一個結果,看樣子並不難!


第六步:

但是對於第二個微分方程,求解很困難,我們先放到一邊;因為對於第一個微分方程,我們還沒利用完,把面積定律的結果,再次帶入最先得到的加速度公式:




第七步:

然後把我們得到的速度,帶入速度的微分形式(1):




第八步:

這裡,同樣可以簡化為兩個微分方程:



第九步:

對於第二個微分方程,再次帶入面積定律,將得到萬有引力下,物體運動的軌跡方程:


這不就是,圓錐曲線的標準方程嗎?其中e為偏心率!

(1)當e=0時,曲線為正圓;

(2)當0

(3)當e=1時,曲線為開口向上的拋物線;

(4)當e>1時,曲線為極點在上焦點的雙曲線;


分析

至於偏心率實際為多少,取決於c1、C和GM,為大天體的引力場分佈,和小物體的初始狀態;sinθ=-1為近日點,sinθ=1為遠日點。

如果你帶入地球的參數,e肯定在(0,1)之間,有興趣的讀者朋友,可以去是試一下,在這我不詳述帶入數據的過程。



總結:我們以萬有引力定律為基礎,推導了開普勒第一定律和第二定律,並給出了準確的軌道方程;其中關鍵的,就是中間藉助了虛數i來參與運算,這樣大大簡化了推導過程;如果不使用虛數i,考慮方向的情況下,推導過程將會十分複雜。


好啦!我的答案就到這裡,喜歡我們答案的讀者朋友,記得點擊關注我們——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


可以是正圓,不是不可以。牛頓不是有一個思想實驗嗎,說在一個很高的山頂沿水平方向扔石頭。如果速度越大石頭飛出的距離就越遠。如果這個初速度大到一定程度石頭就不會落下來了,而是繞著地球轉。如果再大點就會以拋物線飛離地球。因此不同的初速度大小和所要克服的引力的大小,形成的是圓錐曲線軌道,圓錐曲線包括正圓吧?不好意思沒圖😜


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