地球绕太阳,为什么是椭圆轨道?

bdqnwqk7个月前问题20

不如,我们先假设,地球绕太阳运行的轨道就是一个完美圆形吧!

完美圆形,意味着在这样一条轨道上,地球将以完全相同的速度绕着太阳旋转,到太阳的距离也始终保持不变。这当然没有问题,毕竟圆这个形状就是这么定义的。

只不过物理上对此是有要求的。想在这条圆形轨道上运转,必须满足一个力学平衡,也就是地球受到太阳的引力,恰好等于地球绕太阳做圆周运动而产生的“离心力”。当然,都已经假设完美圆形轨道了,这两个力肯定是相等的,没有任何问题。

不过,需要记住的是:引力的大小,与地球到太阳的距离有关;而离心力的大小,除了与距离有关以外,还与地球绕太阳的速度有关。具体公式不必特别清楚,只要有个大致的概念就好。

接下来,看看会发生些什么。

太阳系里不只有太阳和地球,还有许多其他天体。上面这张图,就是目前太阳系内侧的行星轨道图,除了标明的水星、金星、地球和火星以外,其他线条都是已知的近地小行星的轨道。看起来密密麻麻是不是?在这样的环境下绕太阳运行,跟近地小行星相撞是迟早的事。

那就撞上了吧!

不管小行星有多大,只要是撞上地球,就必然会改变地球的速度。还记得速度与离心力有关吗?如果碰撞后,地球的速度快了一点点,那离心力就会变大,导致到太阳的距离也开始变大。反过来也一样,如果碰撞后地球速度慢了一点点,就会导致地球到太阳的距离开始变小。

不论哪种情况,地球肯定是没办法再沿着原来假设的“完美圆形”轨道运行了。好在,离心力和引力之间有办法达到一个动态平衡,使得地球不会因此就被撞飞出去或者掉落到太阳上面,而是继续沿着一条不那么完美圆形的轨道绕太阳运行。

这样的轨道,就是一个椭圆。

地球有没有遭受过这样的撞击呢?问问6500万年前的恐龙,或者抬头看看坑坑洼洼的月亮,都可以告诉你肯定的答案。

碰撞只是一种极端的例子,就算不直接撞上,其他天体也能够通过引力的远程作用改变地球的运行速度。所以,就算地球的轨道曾经是一个完美圆形,它也不可能保持到今天,早就受到各种影响而变椭圆了。

更何况,就像其他回答讲的那样,圆只是椭圆的一个特殊形态,而地球绕太阳的轨道,可能从一开始就不是圆的。

答:这是限制性二体问题下,万有引力定律的必然结果。

地球质量远远小于太阳,属于限制性二体问题,太阳受到地球引力产生的运动可以忽略,然后根据万有引力定律,可以推导出二体问题中,小天体绕大天体的运动方程为圆锥曲线:

其中e为偏心率,当e=0时,轨道为正圆;当0