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地球为什么绕着太阳转?它又为什么自己旋转?

2020-05-20 10:40:43 作者:

"是什么导致了地球的旋转和公转?"这个问题困扰人类很久了。因为向心力和缺乏摩擦力,地球不能被阻止旋转?还是因为牛顿第一定律?如果是这样,向心力从何而来?它是被扔进宇宙并被太阳捕获的岩石的产物吗?我不知道轮换的事。有没有不旋转的行星,或者旋转是行星的必要条件?

物理学家:我把这分为两个问题:“旋转最初是如何发生的?”“是什么让地球保持在轨道上?”。

旋转最初是如何发生的?地球围绕太阳的旋转,就像它自身的旋转一样,本质上是运气不好的结果。

如果你不经意地捡起一个物体并把它扔进空,你会发现几乎不可能阻止它旋转,就像星云一样(巨大的气体和尘埃云凝结成恒星和行星)。它们总是不可避免地有一点旋转。

当形成星系的气体云向内坍缩时,物质在中心整合成一个质量(太阳),并伴随着一个盘状平面,继续挤压形成许多行星。这一过程被称为“积累”,它是来回往复的。

质量在旋转时倾向于形成一个球体和一个圆盘。

虽然转动是不可避免的,但它们各自的转速却大不相同。木星上的一天只有10个地球日,而金星上的一天有240个地球日。行星旋转的方向和速度是非常复杂的问题。一些行星是在由气体和尘埃组成的原始星座(单一结构)中形成的,这也解释了为什么太阳系中的行星几乎以相同的方向旋转。

地球的自转和公转是同一个方向,你在早上6点钟在地球的“前方”。

一旦小球旋转,你会发现太阳系充满了不同大小、运行在不同轨道上的巨大团块,它们的旋转仍在相互影响。例如,地球的卫星月球是地球和火星大小的天体的猛烈碰撞,将月球“抛”入地球轨道。月球质量引起的潮汐效应改变了地球旋转一天所需的时间。天王星也被认为是一次更大碰撞的受害者,这次碰撞使它的旋转轴与轨道轴(垂直于轨道)倾斜了98度,并且碰撞也极大地改变了它的持续时间。我们不知道它的过去,也不知道它改变了多少。

一般来说,天体旋转是因为形成它们的星云在坍缩之前已经在旋转(虽然不是很快)。那些不在轨道上的物质将落入太阳并成为太阳质量的一部分。如果太阳系中的所有物质都不旋转,当前太阳的质量将占太阳系质量的99.86%。

重力-

式中,g是引力常数(表示引力强度),m是恒星的质量,m是行星的质量,r是恒星和行星之间的距离。它是负的,因为它试图降低r的值。你可以使用反导数

找到重力势能。力是势能导数的负数,意思是“物体会掉下来”。

离心力Fc由以下公式确定

推导,其中r和m相等,“v”指切向速度(即绕恒星运行的行星的旋转速度,不包括到恒星的径向距离)。还有一种简单的方式来表达角动量。经过

导出的l总是常数,用l表示的Fc可以写成

。这样,就可以得到“离心效应势能”Uc。当然,“效应”这个词只是物理学家的一点幽默:“是的,对我来说,离心力不是力的真正形式。这只是幽默感。不要偏袒任何一方。”。

看总势能U=Ug+Uc,为什么轨道能稳定存在似乎有一个答案。为了更好的演示,物理学家经常使用“势能图”——一种描述力和能量的直观方式。不难理解,想象一下把一个小玻璃球放在线上,然后想象它会如何滚动。例如,下面一行的“球”向左滚动,但不要太远。

势能曲线由离太阳的距离表示。当行星离太阳太近时,离心力会把它“甩出去”,当行星离太阳太远时,重力会把它“拉回来”。处于稳定约束轨道的行星没有足够的力被抛出势能曲线的“坑”。这个数字也解释了为什么很难进入轨道,因为当你从远处进入轨道时,会有足够的力迫使你回到原点。

稳定轨道在势能曲线的凹槽中。如果太远的重力把它拉回来,太近的离心力又会把它甩出去。

如果你想有另一个理由对宇宙感兴趣,那么稳定的引力轨道只存在于二维和三维宇宙中!重力和声波的衰减是一样的(在我们的例子中是1/R2),所以假设我们的宇宙是d,重力是Fg

当维数D≥3时产生的重力势能

。当D=2时。重力势能

维数越高,引力衰减越快。一维宇宙中没有圆周运动或轨道。二维和三维宇宙中的力在稳定的轨道上保持平衡。四维宇宙中的物体只能落下或飞出(落下或飞出取决于它们的角动量)。五维或五维以上,如果距离很近,重力占优势,距离远离心脏占优势。

对于低维宇宙(D /D),在轨道形成的区域,小R面对更强的离心力,大R面对更强的重力。对于高维宇宙来说,小R面对更强的重力,大R面对更强的离心力,所以物质只有两种结局——被抛还是落下。在四维宇宙中,力的加强或衰减的强度以相同的比率(~1/R3)增加,因此,一旦一个力比其他力更强,该力将永远保持强大。

*从天体物理学的角度来看,当弯曲空时,行星只沿直线运动,没有额外的离心加速度。

作者:物理学家

风云:黑曜石

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