牛顿运动定律公式:

太阳系在银河系运动的速度(太阳系的物体为何可以在太阳的引力作用下继续保持做圆周运动)(1)

其中MP和AP是行星的质量和加速度,MS是太阳的质量,R是行星与太阳之间的距离,G是宇宙常数。这个相当大胆的声明说的是“如果你存在于太阳附近,那么你正在加速向它”。每一个行星、卫星、尘埃等都说着同样的话(“嘿!加速向我!”),太阳发出的声音最大,因为它的质量占太阳系的99.86%。

力使受力物体加速,如重力。所以理解力的作用,对理解加速度是很重要的。速度描述位置的变化程度,而加速度描述速度的变化程度。

太阳系在银河系运动的速度(太阳系的物体为何可以在太阳的引力作用下继续保持做圆周运动)(2)

“Velocity(速率,速度; 周转率; 高速,快速)”和“speed(就是指速度,是一个比较非正式的口语化单词)”,但它们的不同之处在于Velocity是对速度和方向的描述;“向南10英里/小时”是速度(矢量,有方向),而“10英里/小时”是速率(标量,无方向)。所以加速度可以通过改变速率的大小和/或方向来改变速度。

太阳系在银河系运动的速度(太阳系的物体为何可以在太阳的引力作用下继续保持做圆周运动)(3)

假设你在一辆车里(你的速度向前):

如果你的加速度向前(与你的速度同向),就会加速。

如果你的加速度向后(与你的速度相反),就会减速。

如果你向右或向左加速,你的方向会和加速度一致,但速率保持不变。

值得注意的是,当你以这种方式理解加速度时,我们可以有三个例子。当你猛踩油门时,你会突然跌到位置上;当你刹车,你会向前移动使安全带绷紧;当车右拐时,你会受到离心力的作用而向左倾斜。这都是加速度突然反向,而人具有惯性的原因。

太阳系在银河系运动的速度(太阳系的物体为何可以在太阳的引力作用下继续保持做圆周运动)(4)

围绕恒星(太阳)运行的行星会朝着它做加速运动;但是只改变加速的方向,不改变加速度

行星也遵循着同样的规则。一个行星绕着太阳做圆周运动的方向与其受到的冲向太阳的加速度之间的夹角一般呈90°。这意味着行星一直在保持着基本同样的速率转动。行星移动的速度非常快的同时只转动一点点,当他们移动的足够远的时候太阳虽然已经到了一个新的位置,但它们仍然呈90°。

所以这就是行星为什么能永远向着太阳加速而不向其靠近。行星的横向运动是基于这样一个事实:如果行星不进行横向运动,它就会在短期内进入了太阳。事实上,太阳只不过是太阳系形成过程中大量物质的集合体,这些物质因为没有足够的快地做横向运动而被吸引在一起,最终才形成今天的太阳(几乎是所有物质)。

太阳系在银河系运动的速度(太阳系的物体为何可以在太阳的引力作用下继续保持做圆周运动)(5)

为什么物体最终会进入圆形轨道是一个更微妙的问题。最简单的解释是,非圆轨道上的物体会遇到麻烦的结果,是要么它们的轨道变得足够圆,要么被摧毁。并不是说圆形轨道在某种程度上更好,而是其他轨道将承担更严重的影响或引力交互作用的风险(例如,与木星),导致物体进入一个不幸很短的轨道。

假设一个轨道是稳定的,那么它将会是一个椭圆。圆是最简单的椭圆,但是椭圆可以被极大地拉长。例如,彗星的轨道非常椭圆(如下图中右下的)。在这些轨道上,彗星主要是朝着或背向太阳运动,所以对它们来说,太阳的引力主要改变它们的速度,较少改变它们的方向。

太阳系在银河系运动的速度(太阳系的物体为何可以在太阳的引力作用下继续保持做圆周运动)(6)

太阳系(奥尔特云内部)

行星所处的轨道没有什么特别之处。太阳系中我们所拥有的八颗(或九颗或更多)行星并不是唯一形成的行星,但它们是唯一剩下的行星。当物体在高度椭圆的轨道上运行时,它们倾向于“在道路上到处行驶”并撞上物体。当事物相互碰撞时,会产生两种可能性:破碎或不破碎。当我们观察我们的行星邻居时,我们会看到陨石坑,这些陨石坑表明了撞击达到行星或卫星时,行星或卫星在不破碎的情况下所能承受的极限。可能会有比行星承受极限更大的撞击,但(毫不奇怪)这些撞击不会留下陨石坑让我们去寻找。

太阳系在银河系运动的速度(太阳系的物体为何可以在太阳的引力作用下继续保持做圆周运动)(7)

火星大卫星火星一上的陨石坑(左侧),名为“斯蒂克尼撞击坑”

所以具有非常椭圆形轨道的物体更容易发生爆炸。不过即使两个物体相互撞击并合并,最终形成的轨迹也是两个物体原始轨迹的平均值,结果往往趋于更圆。这是吸积过程中的一部分,土星的光环提供了一个美丽的例子,它近乎完美的圆形轨道便是这种在作用下产生的。

太阳系在银河系运动的速度(太阳系的物体为何可以在太阳的引力作用下继续保持做圆周运动)(8)

围绕土星运行的轨道上的尘埃颗粒互相碰撞,然后慢慢形成几乎完全呈圆形轨道,即新的轨道是原先轨道的平均值(这意味着它们彼此碰撞的频率降低)。

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