行星的运动轨道

学术   教育   2024-10-11 10:38   广东  
讨论行星绕太阳运动时椭圆轨道的各项参数。

通过求解轨道微分方程,可以得到天体运动轨道的曲线方程:其中  和  是轨道椭圆的半正焦弦和偏心率:在一般情况下,行星的运动速率都比较小,质量又比较大,导致引力势能的数值比动能大,总能量小于零,运动轨道的偏心率小于1。这意味着行星在太阳的引力作用下,沿着以太阳为焦点的椭圆轨道运动。

既然运动轨道是一个椭圆,就可以利用轨道方程求行星的近日点和远日点的位置:由此得到轨道椭圆的长半轴:结果发现,轨道椭圆的长半轴只与行星运动的总能量有关。轨道椭圆的短半轴由此可见,对于有确定长半轴 (能量) 的运动轨道,不同的短半轴对应于不同的角动量。

由于行星绕太阳运动时角动量守恒,因此,是一个常矢量。注意到径向矢量与它的微分的矢量积正是径矢扫过的面积的微分:就不难得到角动量的另一种表述方式:这个结果显示,行星的径矢在单位时间内扫过的面积是一个常量,这正是开普勒第二定律的定量表达式:由面积定律的定量表达式对一个运动周期积分,就可以得到轨道椭圆的总面积:另一方面,由椭圆面积的计算公式和长半轴与短半轴之间的关系可以得到:将两个面积公式结合起来,就可以得到:将半正焦弦的表达式代入上式,得到最终的结果:这正是开普勒第三定律的数学表达式,其中的开普勒常量  是一个只与太阳有关的量,与具体感兴趣的行星没有关系。

当天体的能量取能够绕太阳运动的最小可能值时,它的轨道是一个圆轨道,在这种情况下,  ,由此可以得到:于是,当行星绕太阳作圆轨道运动时,它的运动速率

前面曾经讲到,万有引力定律适用于任何两个物体。太阳与行星之间相互作用的规律同样适用于地球与人造卫星之间的相互作用。因此,把上述速率公式中的质量改为地球的质量,轨道半径改为卫星到地心的距离,就可以用到人造地球卫星的运动中。当考虑人造地球卫星的运动时,卫星离地面的高度与地球的半径相比可以忽略。于是,可以近似地认为卫星就在地面附近运动。在地面附近,卫星所受到的万有引力近似地等于它在地面上受到的重力:

与速率公式结合,就可以得到圆轨道人造地球卫星的发射速率:这就是人们常说的第一宇宙速度。如果发射速率比第一宇宙速度大,卫星将绕地球作椭圆轨道运动。

在前面的讨论中,我们忽略了除太阳外其他因素对所研究的天体的影响。实际上,行星的运动除了受太阳引力的作用外,还受太阳系内其他天体的万有引力的影响,这导致其运动轨道必定与椭圆有差别。利用牛顿的万有引力理论可以严格地得出,行星绕太阳运动的轨道并不是一个严格的椭圆,而是一条梅花瓣形的开放曲线。从现象上看,行星轨道的近日点会绕着太阳的中心缓慢地旋转,称之为行星近日点的进动。天文观测显示,行星近日点的进动角速率比用牛顿理论计算出来的结果快一些。一直以来,这个偏差成为牛顿引力理论不可克服的困难。后来,爱因斯坦在广义相对论的基础上解释了这个偏差。

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