似乎圆形给我们的感觉就是合理,行星运动的轨道也一样,许多天文学家或数学家为此绞尽脑汁,要么理所当然的当作圆形,要么想不明白。
好吧,这确实是椭圆的,至于为什么是椭圆的,这是一个数学问题,我查阅了一些资料,可以用一个通俗易懂的方式来解释这种轨道现象。
星图历史
从亚里士多德(Aristotle)到哥白尼(Copernicus),每一个建立了太阳系模型的人都喜欢圆来表达。
虽然哥白尼正确地推断出地球绕着太阳转,而不是太阳绕着地球转,但他还是在他的行星运动模型中使用了圆。
在哥白尼之后,由丹麦国王资助的第谷·布拉赫拥有当时最好的观测恒星和行星运动轨迹的设备,以及一个大型的私人天文台来获取极其精确数据。
当时只有他能够制作出比任何人都精确十倍的星图,但比他稍微晚一点的开普勒比他更优秀,因为他还是数学家。
开普勒迫切地想要得到布拉赫的星图,以及他的天文台和设备的使用权,也正因为如此,许多人认为是开普勒毒害了布拉赫。
当开普勒终于拥有了布拉赫的一切后,他更准确地研究太阳系,他计算出行星运动轨道椭圆的合理性,但他仍然不知道为什么行星是椭圆运动的。
之后我们的主角登场了,他就是牛顿,在艾萨克·牛顿用微积分来回答这个问题前,没有人知道行星为什么会在椭圆轨道上运行。
微积分解释了行星为什么在椭圆轨道上运行,但毕竟很多人想到数学就头痛,那就继续往下看吧。
图为:第谷浑仪
简单通俗的解释
一种解释这种轨道的方法是从飞机上丢硬币的假设,当硬币落向地面时,它会越来越快地下落(这里忽略空气阻力,在不忽略阻力的情况下它很可能达到终端速度),直到它撞击地面。
现在,如果以更快的速度在飞机上以不同的角度抛出硬币,这样它只会接近地球而不是掉到地面,实际上它会开始绕地球轨道运行。
开始硬币会越来越快地下落,直到它经过地球,然后,就像一颗子弹射向空中,硬币会在飞过地球后开始减速。
根据开普勒第二定律,硬币的最快速度是在最接近地球的地方(近地点),最慢速度是最远点。
物体在轨道上运行的基本原理是:当它们靠近它们轨道上的物体时,它们会越来越快;
就像我们的硬币,开始会越来越快,一旦它绕着地球飞过来,就会被扔到很远的地方,然后就会慢下来。
硬币的运动就像弹簧一样,向行星下落,然后飞走,但与此同时,它以弹簧运动的方式做圆周运动。
所有轨道都有一个周期,在每个轨道上,这种先靠近后远离的运动就形成了一个椭圆。
最后
轨道上运动的物体,速度在最近的点最大,在最远的点最小,这是最合理的。
想象一下,低速使它靠近,而高速使它远离,而轨道上物体的总能量(动能加上势能)保持不变。