物理学家:牛顿运动定律表示为:
其中MP和AP分别是行星的质量与加速度,MS是太阳质量,R是行星与太阳之间的距离,G是万有引力常数。由这则大胆的陈述所说如果你出现在太阳附近,你将朝着它加速。每个行星、卫星、尘埃等等所有东西都说同样的话:嘿!朝着我加速!,而占整个太阳系质量99.86%的太阳说这话声音最响亮。
一个力,比如重力,会加速其所作用的物体。所以,要了解力的作用,了解加速度很重要。速度描述了物体位置变化的快慢,而加速度描述了速度变化的快慢。
速度不同于速率,因为速度描述的不仅有你运动的快慢还有运动的方向,向北10英里/小时是速度,而10英里/小时是速率。所以你将从以下两种改变速度的方式获得加速度:改变速率和/或改变运动方向。
想象一下你坐在一辆车里(你的速度方向指向前方):
如果你的加速度向前,你将加速。
如果你的加速度向后,你将减速。
如果你的加速度向左或向右,你会转向该方向但保持与原来相同的速率。
注意到当用这种方式描述加速度时,你踩油门时产生的将你推入座位的力等同于你踩刹车时将你挤向安全带的力,亦等同于你当你右转时推你向左的离心力。
图解:围绕太阳转的行星一直在朝向它加速。这一加速度改变的是行星的速度方向,而不是速率。
对于行星也适用同样的原理。一个以圆轨道围绕太阳转的行星的运动方向一直与太阳成90°夹角。这意味着这个行星一直在转弯,但是一直维持相同的速率。这个行星运行得足够快,以至于在它转向的这一点时间里运行了足够远而使太阳处于一个新的位置,行星转弯后看太阳的新位置仍然保持90°的方位角。
这就是一颗行星如何永远朝着太阳加速却永远不会有任何的接近。行星的侧向运动是源于这一事实:如果行星没有这种侧向运动,它们将很快在太阳中找到自己(注:即掉进太阳)。事实上,太阳只不过是一种吸收所有那些太阳系形成过程中的、侧向运动速度又不足够快的物质的巨大收集器(而这些被收集了的物质占绝大多数)。
而为什么物质最终都以圆形轨道运行就成了一个微妙的问题。对这个问题最快的解释是:那些非圆形轨道的物质会遇到一些麻烦,直到它们的轨道变得足够圆或不复存在。并不是说圆形轨道有多么好,只是其它轨道会带来更多撞击或重力作用的风险(比如与木星)从而变成更短命的、不幸的轨道。
假设一个轨道是稳定的,那么它将是椭圆形的(这里有篇文章准确解释了原因,但这是一庞然大物)。圆是最简单的一种椭圆,但是椭圆可以被拉伸得非常极限。例如,彗星就有着非常椭的椭圆轨道(像下图展示的塞德娜星的轨道)。在这种轨道上,彗星基本上是朝着或远离太阳运动,因此对于它们而言,太阳的引力拽着他们几乎是用于改变它们的速率,而用于改变方向的则更少。
图解:太阳系
对于那些行星们所在的轨道而言没什么稀奇的。我们太阳系中的八大行星(或九个或更多)不是仅有的系内形成的行星,而是仅剩下的行星。当物体处在高度椭圆的轨道上时,它们容易横穿所有马路然后撞到别的东西。当物体之间相互撞击会发生一些事情:通常它们会破碎或者没有。当我们观察我们的临近行星时,会看见那些昭告着撞击过的陨石坑,而这些撞击都在行星或月亮的可承受范围之内而没有被撞碎。据推测,可能有比行星更大的撞击,但是(毫不奇怪)这些撞击不会给我们留下陨石坑。
图解:位于火星的一个小卫星火卫一上的斯迪克尼陨石坑(左侧),或为什么火卫一几乎不是火卫一了
因此,那些具有更椭圆轨道的物体更有可能被摧毁。但即使两个物体撞击并融合为一体,产生的新轨道也是两物体原先轨道的平均,这也意味着新轨道趋向于更圆的轨道。这是关于吸积的一部分内容,土星环则展示了一个由吸积过程导致的近乎完美圆形轨道的美丽的例子。
图解:围绕土星轨道的尘埃颗粒相互碰撞,并缓慢地进行平均,直到他们的轨道几乎完全圆形(这意味着它们相互碰撞的频率变得少得多)
给予足够久的时间,空间中的一大团物质慢慢趋向于凝结成球(聚集大部分质量),而剩余的一点物质则在它周围的圆形轨道上形成一盘绕着它转的薄薄的环。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3. Eternitist-The Physicist- askamathematician
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