《大自然寻真》第8章：对天体公转现象的分析-1

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《大自然寻真》

第8章  对天体公转现象的分析-1

（第8章共分为4部分上传）

（第25～29章的哲学内容已在论坛第二区中的哲学版块上传，请前往阅读和评论）

8.1  天体公转椭圆形轨道的形成机理

    在此，我们先以地球公转轨道为例展开来说，自然也就知道所有行星乃至其它天体的公转轨道是如何形成的了。

    如果地球能理想地在圆形的轨道上绕太阳公转的话，那么，根据万有引力定律和离心力公式便有：

              FG＝GMm/R2  ----------------------------------------------------------------------（8.1-1）

        FL＝mV2/R  -------------------------------------------------------------------------（8.1-2）

上两式中，FG为太阳对地球相互引力； FL为地球绕太阳公转作圆周运动所产生的离心力； G为引力恒量； M为太阳质量； m为地球质量； R为地球公转被假设为圆形轨道的半径（即实际地球轨道到太阳的平均距离）； V为地球公转的线速度。显然，假定了地球在上述圆形轨道上稳定（即匀速）做圆周运动，就应该有

        FG＝FL  ------------------------------------------------------------------------------（8.1-3）

即          GMm/R2＝mV2/R  

可得       V2＝GM/R  -------------------------------------------------------------------------（8.1-4）

    从（8.1-4）式显见，若天体作匀速圆周运动，则围绕同一个核球公转的天体，其线速度的大小完全由公转半径所决定，半径大者线速度小，半径小的反而线速度大，这种关系与绕转天体的质量大小无关。

    实际的情况并不那么理想，行星的公转轨道普遍都是椭圆形的，有些甚至偏心率很大，这是为什么呢？其实也并不奇怪，原因是，所有天体并不是一开始就被直接安放进轨道，并令其立刻具有能使得（8.1-3）式成立的稳定的相应线速度的。所有天体的运动状况都由其自身诞生后才演变而来。我们以地球为例，认真追踪一下它离开母体之后的运动轨迹并分析其力学变化过程，情况就明白了。根据核球喷射理论，地球在诞生之前只不过是太阳的一小部分物质，它与太阳整体不可分割，也随着太阳的自转而同样围绕着太阳的转轴基本匀速地旋转，所以它绕着转轴做圆周运动的离心力正好与太阳整体对它的万有引力相平衡，也即FG＝FL 。后来，当太阳母体在赤道附近的肚皮突然发生大爆裂的时候，被作为地球而诞生出来的那些物质必然都全部从太阳表面离开太阳本体，从而都具有了与太阳表面物质相同的绕转轴旋转的线速度

。“地球”得到了来自于日心附近的特大冲力往外狂奔的时候，太阳对它的万有引力就再也起不了约束作用，只能任由它自由地远去。

    地球背着太阳狂跑了好久之后，升空远去的力量终于用尽了。此时的地球回望了一眼太阳母亲，却发现自己依然被母体的无形绳子（万有引力）牢牢缚住，丝毫无法逃脱。至此，地球只能面对着母亲太阳，一方面凭借着从母亲那里所带来的，作为遗传因子的“种子”线速度开始围绕着太阳缓慢公转。另一方面，却由于地球向外狂奔的惯性力使它跑过了头，不仅完全没有了再远去的速度（已经冲到远日点附近），而且根据（8.1-2）式可知因V太小和R太大，就使离心力数值 FL＝mV2/R 太小，已经反过来比不上母亲那根绳子的拉力 FG 大，想要稳定围绕太阳作圆形轨道的公转都不可能了，只能被太阳母体开始一步一步往回拉。具体分析起来，正是由于 FG＞FL，所以地球在合力（FG－FL）的作用下便产生了一个正的向心加速度

（图8.1-1），在数值上， ＝（FG－FL）/m 。

图8.1-1   地球在远日点的力学分析图

图8.1-2 地球离开远日点后的速度分解图

    地球在的作用下离开远日点之后便朝着太阳的方向产生了一个越来越大的速度

（图8.1-2）。虽然“种子”线速度是垂直于径向的，但由于就在径向上，所以与的合速度 就再不与太阳的径向方向垂直了，而是向内一侧偏离了以太阳为中心的圆的切向方向，朝向了越来越靠近太阳的角度。同时，由于V＝ａ•ｔ，即正的加速度会使速度随时间的增长而增大，所以地球在加速度的不断作用下，便越来越大，从而就使得地球既越来越靠近太阳，的数值也越来越大。椭圆轨道偏心率越大，上述的变化趋势就越快。

       就这样，地球凭借着惯性力一直冲到了距离太阳较近的地方，并且由于速度过大，使离心力与万有引力之间的关系反过来变为 FG＜FL ， 从而又产生了一个重新背离太阳的加速度

（图8.1-3），在数值上， ＝(FL－FG)/m 。

图8.1-3 地球在近日点的力学分析图

图8.1-4 地球离开近日点后的速度分解图

       与前述的情况正相反，地球在 的作用下，一离开近日点之后便产生了一个背离太阳而向外的，越来越大的速度 （图8.1-4）。 与 的合速度 偏离了以太阳为中心的圆的切向方向而向外，朝向了越来越远离太阳的角度。于是地球又重新相对于太阳越跑越远，且速度越来越小，最后又回到远日点附近，再一次重复从远日点到近日点的俯冲过程。

    这样一来，地球就只能始终循环往复地在椭圆形的轨道上围绕着太阳公转了。在近日点附近绕转的线速度快，在远日点附近绕转得慢，这一点与已有的天文观测事实正好完全相符。

    上面已经定性地阐述了地球在诞生脱离母体之后的整个力学作用过程。由于那样的作用过程，便决定了地球的公转轨道必然是椭圆形。简单而形象化地说，虽然地球本来很想做稳定的圆周运动，但由于它原来并不是在相应的轨道附近以匀速运动进入轨道，而是从轨道很远的地方，运动方向又与轨道成了一定的交角，并带着一定的加速度（即非匀速运动）匆匆跑进轨道来的，这就使它一进入轨道之后，自己的速度和运动方向总是与理想的正圆形轨道配合不上，所以只能采取忽快忽慢和忽近忽远的办法去逼近圆形轨道，于是，其轨道也就变成了椭圆形。分析起来，椭圆形轨道既是地球不断进行公转速度调整的结果，也是地球为了围绕太阳做圆周运动而不断进行调整逼近的唯一途径。

    显然，太阳系内部的所有行星，乃至太阳系以外的其它天体，都是同一种类的物体，它们的诞生过程都是相似的。因此，它们的公转轨道无疑也都应该是椭圆形。至于为什么有些天体的公转轨道会很接近于圆形，那是由于后期的演变而逐渐形成，这在后面会详细说到。

    人造地球卫星的运行轨道也是椭圆形的吗？笔者是人造地球卫星的行外人，但知道它们的发射升空过程也与天体诞生时的飞行情况相似，都是从母球向外发射出去，最后又围绕着核球旋转的天体。按理说，在人造地球卫星进入轨道后，如果不再进行人工遥控调整，则它们围绕地球旋转的轨道也应该是椭圆形。不过，人造卫星可以带有动力，必要时完全可以通过遥控将其运行轨道人为地调整为正圆形，天体的诞生过程却只能全部顺其自然。这就是人工和天然的明显差异。

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关键词：大自然寻真 天体公转 大自然 万有引力定律 椭圆形轨道 天体公转 椭圆形轨道 形成机理