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是谁转动了地球？
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———— 对力学基本原理的再认识 地球为什么会自转？其动力是从那里来的？地球的自转周期为什么会出现周期性变化？地球的自转轨道为什么会与公转轨道产生“黄赤交角”？地球的自转轨道为什么会存在岁进与章动？行星的“光环”是什么？它们是如何形成的？本文结合对力学基本原理的再认识，试图解答这些问题。 在无约束条件的情况下，物体为什么会做圆周运动？这看似是一个非常简单的话题，其实并非如此。人们往往根据生活中的经验去判断，由于向心力和离心力相等，物体依靠惯性做圆周运动。这种认识明显是错误的，违背了牛顿第三定律。在圆周轨道上运行的星体，因没有约束条件，也就不存在离心力。 一般的解释是：做圆周运动的物体本应该沿着向心力的方向运动，但由于物体存在切向的速度，改变了物体的运动方向，物体依靠惯性做圆周运动，这种说法显然也是错误的。按照牛顿第一定律，力才能改变物体的运动方向，速度怎么能改变物体的运动方向呢？这种解释使牛顿第一定律与第二定律发生了冲突。那么，是否存在一个切向力？如果有？这个切向力又是从那里来的？牛顿定律在解释圆周运动中出现了一个悖论。 显然，物体做圆周运动不会因为悖论而停止，它是客观存在的。如果无法合理、科学的解释圆周运动，那么我们对运动学、动力学，以及星体轨道的认识就会陷入迷雾之中。我们虽然可以观察到天体运行的准确数据，但我们无法正确解释它们的运动规律。行星为什么会自转？自转的规律是什么？行星的公转轨道为什么会出现周期性变化？自转与公转为什么会存在“黄赤交角”？太阳系是如何形成的？……要解答这些问题，必须对力学的基本原理进行再认识。 1687年，英国物理学家Newton , Sir Isaac 牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中首次提出运动三定律和万有引力定律。牛顿理论垫定了近代科学的基础，它不仅完善了近代物理学的基本原理，也是人类认识自然的重要里程碑。牛顿不仅在力学上有着勿容质疑的贡献，在光学领域，他发现了白色光的组成，并把颜色现象归纳为光的科学范畴，建立了现代物理光学的基础。在数学方面，他是首创微积分的数学家之一（1684年，德国数学家G. W. 莱布尼兹发表了微积分的文章。牛顿在之前曾提出过“流数方法”，但正式发表却在1704年出版的《光学》一书中）。他对人类的文明做出了巨大的贡献，他是同时代科学家中最杰出的代表之一。 在牛顿的晚年，牛顿把他的中心著作不断重版。1713年，第二版的《自然哲学的数学原理》由R . 柯茨编辑出版，牛顿对第二版做了广泛地修改；1726年，由H. 彭伯顿编辑出版了第三版，牛顿做了少量增补。1704年的第一版《光学》只发表了30年以前的著述，1706年他又出版了《光学》的拉丁文版，1717年~1718年间还出版了英文版的第二版。这两种版本的中心部分并无改变，但他却扩充了附录“质疑”，并在“质疑”中对宇宙本质的推测做了最后的陈述。 作者联系方式： mgwms@sina.com [ Last edited by mgwms on 2008-9-14 at 12:35 ] |
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牛顿在发现了三大运动定律和万有引力定律之后，就一直试图解释地球是如何开始运动的？地球为什么会自转？其能量是从何而来？是否存在所谓的“第一推动力”。牛顿用他后半生的几乎全部精力来研究和探索“第一推动力”，后来他得出了这样的结论：是上帝设计并塑造了完美的宇宙运动机制。这显然与唯物史观格格不入，也与科学精神相悖。三百多年过去了，由于理论的进步和技术手段的提高，人类用现代技术对各种星体的运行轨道进行了十分精准的测量，获得了大量准确数据，但我们至今仍不能对牛顿的“最后陈述”做出科学、合理的解释，我们仍生活在巨人的“困惑”之中。问题出在那里呢？是牛顿的“质疑”错了？还是牛顿定律错了？或者宇宙中还有更隐秘的“天机”，我们根本就无法认识？ 一个不可能出现的现象引出的思考。 牛顿在观察苹果从树上掉到地上时，他得出结论：物体之间存在引力。在此后的研究中得知，引力的大小与质量和距离有关，物体的运动轨迹沿重力的方向。由此，牛顿总结出万有引力定律。如果有人突发奇想，地球突然移动了，将会发生什么情况？ 一、力的方向发生改变，受力物体会获得改变运动方向的加速度ad 下面，结合讨论圆周运动的物理意义，对经典力学的基本原理进行再认识。根据牛顿第二定律 速度是一个矢量， ，本质上速度的变化是由力的大小和方向的改变决定的。对速度求导，可以找出力与速度变化的规律。 第一项中的 反映速度大小的变化程度，即加速度 ，方向τ为路径的切线方向；第二项 为方向不断改变的速率，且定义为 。其中， 为速率， 为方向改变的程度。可以证明 为方向改变的角速度。 ∴｜ ｜ =2∣ ∣ ∴ ︳ ｜ ∵ 曲率定义为 ， 为曲率半径。 ∵ 上式可以解释为，当物体受力获得加速度 ，产生速度 ，方向为τ，即路径的切线方向， 的速率 只与加速度 有关。当力的方向发生改变，物体获得改变运动方向的加速度 ，产生角速度 ，使物体作曲线运动。速率 和角速度 决定了曲率半径 。当 无限大，即力的方向没有改变，物体做直线运动；当物体的运动方向（切向）与受力方向垂直， 为零， 恒定，只存在一个按恒定角速度 改变方向的速率 ，曲率半径 即为圆周半径，物体做圆周运动，这就是物体做自由圆周运动的物理意义。也可以换一种角度，我们站在圆心上，看见的是一个半径为 ，以恒定角速度 改变方向匀速运动的物体；但站在物体上，我们看见的也是一个以半径 ，以恒定角速度 改变方向的力，它们都在做圆周运动。 |
2楼2008-09-14 12:36:14
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同时，可以证明，物体做自由圆周运动与自身的质量没有直接的关系，只与做圆周运动前的速度有关。这是因为，根据万有引力定律和运动第二定律，质量大受力大，加速度也大；但在同等力的作用下，质量大，加速度反而小。 讨论圆周运动，以行星的运行轨道为对象最具真实性和说服力。在太阳系中，绕日轨道可以看作是一个近似的圆周，行星的轨道速度即为绕日公转的速度。从二体问题微分方程的解，可以获得运动速度的公式： 如果忽略地球的质量 和轨道半径 （地球的质量只为太阳的33万分之一， >> ）。速度公式可以简化为： 上式说明：行星运动的速度只与太阳的质量和行星绕日轨道的半径有关。在太阳质量不变的情况下，行星运行速度与轨道长半径成反比，速度越快，运行轨道的半径就越小，速度越小，运行轨道的半径就越大。计算结果与实际观测数据基本相符。 太阳系行星运行速度与轨道半径一览表 轨道长半径：a/AU 平均速度：km/s 行星 轨道半径 平均速度 行星 轨道半径 平均速度 水星 0.3871 47.87 木星 5.2027 13.06 金星 0.7233 35.02 土星 9.5555 9.66 地球 1.0000 29.79 天王星 19.1911 6.8 火星 1.5237 24.13 海王星 30.109 5.44 冥王星 39.5289 4.74 实际上，物体做圆周运动分两种情况：其一是自由圆周运动，在没有约束条件的情况下，物体的运动方向被方向变化的力所改变。其二是约束性圆周运动，即在约束条件下，物体所受向心力与离心力大小相等，方向相反，物体依靠惯性做圆周运动。虽然都是圆周运动，但是两种圆周运动是完全不同的两种物理现象，它们的力学原理也是不同的。 由此，可以明确圆周运动的规律： 1. 物体受力获得加速度 ，物体做直线运动，加速度 决定速率 的大小；当力的方向发生改变，物体获得改变运动方向的加速度 ，物体按角速度 改变运动方向，物体做曲线运动；当物体的运动方向与受力方向垂直， 为零，速率 恒定，变化方向的力使物体按恒定角速度 改变运动方向，做自由圆周运动，曲率半径 即为圆周半径。 2. 物体做自由圆周运动必须存在初速度。这个速度应该大于环绕速度即第一宇宙速度，小于逃逸速度，即第二宇宙速度。 3. 物体运动的速度决定了曲率半径 （圆周运动即半径）的大小。 4. 自由圆周运动的物体在每一刻，重心位置与引力方向没有相对变化，重心不会产生角位移，物体不会形成自转。 5. 在约束条件下，向心力与离心力大小相等，方向相反。物体依靠惯性做约束性圆周运动，向心加速度 等于 。 把自由圆周运动的物理概念讨论清楚，有助于解释天体的运动和太阳系的起源。 |
3楼2008-09-14 12:36:51
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二、力的方向改变，受力物体会获得自转的角速度 . 我们可以用水来模拟平行力系。水中物体所受的重力和浮力大小相等，方向相反，物体的姿态可以看作物体在平行力系中的姿态。当我们把一个平均密度小于水的光滑物体放入纯净水中，物体会在水面漂浮起来，并保持一个稳定的姿态，当用外力推动它，物体的姿态会发生改变，当力撤消，物体会恢复原来在水面的姿态。 可以得出结论： 1. 在平行力系中，力的大小和方向不变，物体的姿态（空间位置）保持稳定。 2. 如果外力发生改变，物体的姿态也要发生改变，这是因为物体的重心会随外力的方向变化产生移动。 重心定义为： 重心通过下式确定 为了计算简便，我们设一个物体A的重心为： 如果作用力方向发生改变，顺时针转动Φ角，物体A的重心就为： 如果物体的重心不发生改变，物体的重心就会产生偏移。 物体的质心定义为 且， 上式表明，在惯性系中，重心和质心是等效的。重心的位置发生变化，质心的位置也要发生变化。 3. 物体的受力姿态由重心位置决定，物体的重心垂线距受力面的距离最短。 这是因为 其中，重力与距离成反比，重力越大，距离越短。当 ，物体重心距物体任何方向的表面距离相等，物体一定是绝对均质和完全对称的。 均质物体在平行力系中的重心可以通过计算求出，非均质物体的重心，理论上也可以计算出来，由于计算烦琐，一般通过试验获得。均质物体的重心就是物体的几何中心（形心），不论物体是否均质重心都是惟一的，与物体任何方向的表面距离不会改变。理论上，绝对均质、完全对称的物体，重心 ，实际上这样的物体存在的可能性极小。因此，当外力使物体的姿态（几何位置）发生改变，物体为了不使重心（质心）产生位移，必然要与作用力的改变方向保持同步，即旋转相同的角度。也可以表述为，当外力使物体的姿态（几何位置）发生改变，物体为了使其重心与受力面保持最近的距离，必然要与作用力的改变方向保持同步。物体转动，就意味它获得了一个转动的加速度，产生转动的角速度。当力的方向与运动方向垂直，重心位移停止，转动加速度为零，物体在惯性作用下，按角速度匀速转动。 可以得出结论： 在平行力系中，当物体的受力方向改变，物体的重心就会形成角位移，即获得转动的加速度am，形成自转的角速度 。 受力物体转动的角速度就是力的方向改变的角速度。 其中， 为轨道速度， 为轨道半径， 为自转速度， 为物体半径。 应该说明，这个公式不能用来求解行星受引力时的轨道半径，这是因为我们无法得知行星的初始角速度，否则计算结果是错误的。 |
4楼2008-09-14 12:37:20
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三、力学基本原理的再认识对力学的影响 从上面的讨论，我们得出两个重要的结论： 1. 当力的方向发生改变，物体会获得变化运动方向的加速度 ，物体按角速度 改变运动方向，物体做曲线运动；当物体的运动方向与受力方向垂直， 为零，速率 恒定，变化方向的力使物体做自由圆周运动，曲率半径 即为圆周半径。 2. 物体的受力姿态由重心位置决定，当外力的方向发生改变，物体的重心必然要与力的方向保持同步，即旋转相同的角度。物体转动，就意味它获得了一个转动的角速度，当物体运动方向与力的方向垂直，角速度恒定，物体在惯性作用下匀速转动。 下面，我们来讨论这两个结论对力学基本原理的影响。 从前面的讨论，我们得出结论： 称为切向加速度。第二项 称为方向变化加速度。 ∵ 是沿运动轨迹切线方向的加速度，它决定速率 的大小（体现力的大小）， 也可以称为速率加速度。 是改变方向的加速度，它只是改变物体运动的方向，与物体受力的大小即速率没有关系。 在传统力学的基本原理中，把方向加速度 和向心加速度 作为一个概念，并且设计出全加速度的计算公式： 其中 。 这显然是把自由圆周运动与约束性圆周运动的概念混为一谈。 1、 和 是关联的，没有速率的 是没有意义的。但是，它们又有各自独立的物理意义。 2、速率ｖ的大小由 决定，当 为零，速率ｖ是恒定的。速率ｖ的大小与 没有关系。 仅仅是改变方向。 3、如果没有约束条件，当 为零的时候， 的方向指向圆心，物体不可能做圆周运动。因此，向心加速度 的定义一定要有约束条件，即向心力与离心力要同时存在，大小相等，方向相反。向心加速度 等于 。 因此， 的定义范围是无约束条件，而 的定义范围一定要存在约束条件，它们的物理概念是不一样的。 对力学基本原理进行再认识，使我们有可能对一些长期困惑人类的星体运行的规律进行重新解释。 四、星体自转的真正原因是引力方向的改变 星体为什么旋转？通常的解释是：星体的自转和公转是由于星云的“原始角动量”汇聚演变形成的，但这种观点与实际观测数据不符。 1、 根据动量的定义： 动量的大小与物体的质量有关。质量越大的物体所获得的动量也越大。但观察数据表明，星体自转和公转的角速度与它的质量并没有直接的联系。比如，地球的质量为5.964×1024吨，自转周期是24小时，公转周期是365.25天；水星的质量是地球的0.055%，自转周期为58.65天（地球日，下同），公转周期是87.97天；金星的质量是地球的0.81%，自转周期是243.02天，公转周期是224.7天；火星的质量是地球的10.8%，自转周期是24.6小时，公转周期是686.98天；木星的质量是地球的318倍，自转周期是9小时50分30秒，公转周期是4332.71天；土星的质量是地球的95倍，自转周期是10小时40分，公转周期是10759.5天。 2、如果所谓的“原始角动量”确实存在，这种“角动量”就应该是有序的，因为星体的旋转方向是由角速度的方向决定的，即角速度方向相同，否则星云的“原始角动量”就会在凝聚过程中将相互抵消。如果“原始角动量”同向，同向的角速度就应该使星体自转与公转的方向一致。但观测发现，金星、天王星、冥王星自转与公转是逆向的，木星有4个行星与其它行星的公转方向也是逆向的。 3、如果形成恒星系的星际云团的“原始角动量”是整体的，那行星就不应该自转，因为整体角动量的内部效应一定为零。如果“原始角动量”是独立的、分散的，那行星绝不会公转。这是因为根据质点系的动量定理 即 质点系的内力不能改变质点系的动量。 对一个物体来讲，不管它的质量是多少，角动量只能是唯一的。同时，角动量一定是守恒的。但观测表明，星体的自转和公转周期不仅在发生短期改变，也在发生长期变化。 牛顿终身的“困惑”是“第一推动力”来自那里？或者说，星体为什么会旋转？结合对力学原理的再认识，我们完全可以对此做出一个简单、明确、科学的解释。 宇宙大爆炸后，宇宙迅速膨胀，温度降低，物质形成。宇宙继续膨胀，其中弥漫着各种星际气体和星际云团，由于云团本身密度的不均匀，在引力作用下逐渐收缩、凝聚，形成“原始星体”，这些“原始星体”由于引力，相向运动，不断组合、分裂、再组合，形成星体。在没有受到外力的影响下，星体依靠大爆炸膨胀的惯性进行运动（忽略星体的银道面运动）。星体在漫漫旅途中一定会受到其它星体的引力，当某个星体的质量足够大，质量较小的星体就会在巨大引力的作用下获得加速度并向质量大的星体运动；由于大星体本身也在运动，同时，小星体在没有受到引力前就具有一定的初速度，其运动轨迹一定是椭圆轨道，引力的方向就会发生改变。引力方向的改变就会使星体获得自转的角速度。由于各种星体的质量不同，运动路径不同，因引力方向改变获得的自转的角加速度也不同，因此，各种星体自转的周期和方向是不一样的。旋转成为星体存在和运动的基本形式。 按照上述原理，地球自转的成因也就不难理解了。由于太阳的质量远远大于地球的质量，当地球受到太阳引力时，地球必定向太阳的方向运动。由于地球在没有受太阳引力前就具有一定的速度，再加上太阳本身也在运动，地球就会沿着椭圆轨道面向太阳运动，椭圆轨道使引力方向不断改变，地球必定获得一定的自转角加速度，正是这个角加速度产生的角速度使地球的质量形成了一定的角动量。当地球进入绕日圆周轨道后，运动方向与引力方向垂直，自转的角加速度为零，地球在惯性的作用下匀速自转。 可以推测，有的行星在受恒星的引力之前，由于其它星体的作用，已经具有了自转角速度，当受到更大恒星的引力作用后，改变了运行的轨道，由于新形成的角速度小于原有的角速度，它们自转与公转逆向。 正是由于地球恰好的质量和恰好的引力角度，获得了一个恰好的速度进入绕日轨道，得到了一个恰好的轨道半径，与太阳保持了一个恰好的距离；同时，恰好的质量使地球的重力适度，保持了水和大气层，提供了生命诞生的必要条件。恰好的引力角度和距离使地球的自转周期为24小时，保证了地球温度的均衡。地球绕日轨道和自转轨道形成的“黄赤交角”，使地球形成了一年四季，这一切都是力造成的，力是地球的“上帝”，也是人类的“上帝”。 运动使引力的方向发生改变，使星体获得自转的角速度。可以说，引力方向的改变是星体旋转的“第一推动力”。由于引力的存在，造就了我们的太阳系、银河系、河外星系，造就了今天宇宙的万千世界。 |
5楼2008-09-14 12:37:51
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五、太阳系的行星是太阳在运动中“捕获”的 对太阳系的形成，目前存在很多不同的观点，主要的观点是“星云说”。“星云说”认为：宇宙大爆炸后，宇宙迅速膨胀，温度降低，逐步形成了星际气体和巨大的星际云团，由于云团本身密度的不均匀，在引力作用下逐渐收缩、凝聚。再由于云团物质均具有“原始角动量”，凝聚的过程中旋转速度逐渐加快，向云盘赤道沉降，在绕日旋转中相互碰撞，逐步形成了一个“铁饼”状的星云团块，最后演变成为恒星系，其核心就形成了“太阳”，其余的云团形成了绕其运转的行星。还有一些学者认为，太阳系的行星是由另一颗恒星与太阳相撞，从太阳或别的恒星中分裂出来的。这些观点都认为恒星系主要是由内部的“星际云团”形成的，即使发生碰撞，也是内部的一部分。 太阳系行星是内部形成的理论，缺乏科学依据。这是因为： 1、“原始角动量”只是一种猜测或设想，没有科学依据。如果根本就不存在所谓的“原始角动量”，内部形成的星体根本就不可能形成自转； 2、引力场是一个封闭场，引力的方向均垂直于封闭的重力面（所以星体都是圆的）。行星要绕日公转，必须要有一定的相对速度（轨道速度），也就是第一宇宙速度。但是在理论上，找不到太阳系内部为行星提供绕日速度的依据。理论计算和实际观测，太阳的自转速度很慢，是地球日的25.8天，也就是619.2小时，平均1小时43分转1度。 3、如果恒星系是内部形成的，那分散的星际云团所形成的行星应该具有大致相同的物理特征。但实际观察的结果却是，金星和火星没有发现磁场；木星存在一个偶极磁场，其表面磁场场强是地球的10倍，核心区场强是1.75万倍；土星的磁场是地球场强的1000倍，并与地球的磁极相反；木星的密度每平方厘米仅为0.7克，达不到地球水的质量的70%，海王星的密度仅为每平方厘米0.6克，几乎是由松散的气体和尘埃组成的。按照大爆炸的理论，物质的形成是由轻物质开始的，比如氦、氚、锂等，而铁、铜、金等重物质是最后形成的。可以推测，由于重物质质量大，它们相向的加速度也就大，它们凝聚得最快，是形成星体内核的主要物质。正是这些最初的“凝聚团”在漫长的宇宙形成过程中，在引力的作用下，不断地吸纳、组合、碰撞、分裂、再组合，组成了质量更大的星体，这些星体由于路径不同，形成过程千差万别，其物理特性才会有差别。从理论上讲，行星物理特性的差别在恒星系内部的形成概率是很低的。 4、实际观测显示，九大行星的绕日轨道的半径基本是按行星的密度进行排列的。这是因为行星由于质量不一样，受到的引力不同，获得的加速度也不一样，它们进入绕日轨道的速度不一样，因而绕日轨道的半径不一样。密度小的星体受到的引力小，近入轨道的速度低，轨道半径大；密度大的星体，引力大，速度快，轨道半径小。 5、太阳的质量占到整个太阳系的99.87%，是水星的600万倍，是金星的40.24万倍，是地球的33万倍，火星的300万倍，木星的1037倍，土星的3473倍，天王星的22758.6倍，海王星的19298倍，冥王星的16500万倍。行星如果没有切向的速度，在太阳巨大的引力下，只能纷纷投向太阳炽热的火海，不可能存在“演变”的任何条件。 综上所述，太阳系靠内部形成的观点缺乏科学依据。我们可以推测，太阳系大家庭是在漫长的演变过程中，太阳依靠其引力，不断“捕获”行星而逐步形成的。 六、引力方向的改变对行星自转和公转的周期必然产生影响 德国数学家、天文学家Johannes Kepler开普勒依据Tycho Brahe 第谷大量的观测数据总结了行星运动的三大定律（开普勒定律）。开普勒第二定律指出，行星绕太阳运动时，行星向经在相等的时间内扫过的面积相等，行星运动第二定律经实际观测是准确的。第二定律表述的物理意义是，行星绕日轨道的速度是不均匀的，近日点速度快；远日点速度慢。使人不解的是，作为天文学家的开普勒却一直没有解释行星运动第二定律的物理意义。 实际观测数据证实，地球运行的轨道是一个椭圆，精确测量的数据表明，椭圆轨道偏心率为0.005～0.0607。按最大偏心率计算，轨道相差1708万km。现在地球公转轨道偏心率为0.0167，地球远日点和近日点相差500.3万km。地球平均绕日速度是29.79km/s，近日点处为30.3km/s，远日点处为29.3km/s。对于北半球来讲，冬半年（从秋分到春分）为179天，夏半年为186天。 目前，对地球自转和公转速度造成了周期性影响的主要的解释是：大气角动量在发生周期性改变和季节性的潮汐变化（受月球影响）。但是，这些推测没有可靠的理论依据和准确的数据支持，无法得到证实。按照对传统力学理论的再认识，完全可以提出一种新的解释。 前面的分析已经证实，地球轨道速度在太阳质量不变的情况下，只与轨道的半径有关，从远日点到近日点，轨道半径在逐步减小，公转速度必然加快，在近日点处速度最快。同理，从近日点到远日点，轨道半径逐步增大，公转速度必然减慢，在远日点处速度为最低。 实际观测还表明，地球的自转还存在长期减慢，年际变化、季节性变化和不规则变化。长期减慢平均每百年达0.82s。说明3.7亿年前（泥盆纪）地球每年自转400周（每年400天），4.2亿年前，地球每年自转420周。季节性变化目前测得的周年变化累计达20～25ms，半年变化约9ms。夏季（北半球）地球自转较快，冬季较慢。 我们可以推测，地球自转速度的季节性变化说明，地球自转速度在近日点与远日点也存在差异。由于地球的运行轨道是一个椭圆轨道，在远日点和近日点，引力的方向与地球运行的切线方向是垂直的，力的方向没有改变，角速度不变。但是，当地球从远日点到近日点，引力方向与轨道（切线）方向的角度在发生变化，角度在逐步减小，角加速度为正，地球自转加快，每天的时间逐步缩短，到交点后运动方向与引力方向垂直，角加速度为零，自转速度最快。当从交点到远日点，引力方向与轨道（切线）方向的角度在逐渐由小变大，角加速度为负，自转减缓，每天的时间延长，公转一个周期，增减相抵。当然，这种细微变化，只能应用精密的仪器进行检测和计算。 实际上，地球运行的轨道是非常复杂的，影响轨道变化的因素还有很多，但是，由于技术手段的落后和理论上的滞后，人类无法对星体运行的所有现象均给出科学、准确的解释，很多方面还只能进行推测。 日光层是太阳辐射产生的微粒所控制的空间组成，已知的半径达50AU。最近，国外的研究者发现，太阳的日光层存在着严重的不对称。英国《自然》杂志刊登的研究论文认为：日光层是一个椭圆，像一枚鸡蛋一样。这引起了很多学者对日光层研究的极大兴趣。我们知道，太阳电磁辐射实际上就是一个巨大的电场（太阳常量 S=1.374kW/m²，99%的能量集中在0.2～10μm 波段），这个电场与日光层的概念和范围是一致的，当具有磁场的行星在其范围中运行时，均应该受到电场作用力的影响。那么，这个作用力对行星轨道的影响是什么？我们并不清楚。 再例如，太阳系的九大行星与地球一样，均在一个“饼状”轨道面按椭圆轨道运动，由于均处于运动状态，它们与地球的引力方向也在发生改变，理论上，它们对地球自转和公转周期会造成一定影响。离地球最近的金星，密度与地球大致相当，质量是地球的0.82%，距地球0.28AU，它的绕日周期为0.62地球年，它的轨道速度比地球快，为35.02 km/s。木星和土星的质量分别是地球的318倍和95倍，木星距地球4.2AU，土星距地球8.5AU，它们公转的周期是地球的11.9地球年和29.4地球年，也就是说，它们比地球轨道速度慢得多。虽然它们离地球十分遥远，影响微乎其微，但是，这种相互作用积累的效应造成地球自转和公转周期的细微改变是可能的。 那么，在太阳系以外，是否有质量更大的星体或星系对太阳系行星的运行轨道产生影响，对人类来讲仍是一个迷。 |
6楼2008-09-14 12:38:27
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七、地球自转形成的转动惯量造成了“黄赤交角”，并造成了岁进与章动 在对行星轨道的研究中，最使人不可思议的是星体存在自转与公转的“黄赤交角”。这是一个困惑天文学界的难题。 根据观察和测算的结果，现在地球的赤道面与黄道面的夹角为23°26＇22"，金星赤道面与黄道面的夹角为177.4°，火星赤道面与黄道面的夹角为24°，天王星赤道面与黄道面的夹角为98°，海王星赤道面与黄道面的交角为65°12´。同时，地球的自转还具有陀螺效应，存在进动和章动。这种进动和章动还表现为周期性。据实测，地球自转的进动半径为23°26′，进动岁差周期为2.6万年；章动的周期为18.61年，摆幅约为9.214″。不仅地球自转存在进动和章动，太阳系的几乎所有行星都存在进动和章动。 我们在前面已经证明，地球受太阳的引力沿椭圆轨道运行，由于引力方向的改变，使地球获得了一个自转的角速度。地球的自转必然会形成转动惯量。根据动量矩守恒定律，转动惯量是刚体转动惯性的量度，它保持刚体的自转速度和自转轴稳定。 虽然地球的自转速度很低，平均ω=41.6″/s，但是地球巨大的质量和体积使其形成的转动惯量J达到9.68× kg m ²。 ∵ 其中， 定义为z轴的转动惯量，它与角速度ω没有关系。地球的转动惯量为 =0.4×59.64×10²³×（6371×10³）² =9.683× kg•㎡ 实际上，地球受太阳引力向太阳运动时，太阳自身也在沿一定的轨道进行运动，因此，地球向太阳运动的轨道并不是一个平面的椭圆，而是一个近似椭圆球面的三惟轨道。 我们设三维坐标系Oxyz，地球受太阳的引力，先在Oxz平面沿椭圆轨道运动，它的运动方向、自转方向与x轴同向，它的自转轴与Oxz平面垂直，转动惯量为Jy。由于太阳在Oxy平面运动，地球必然会在椭圆球面运动，当太阳沿y轴方向运动，相当地球轨道的矢径绕z轴顺时针转动了△ 角，如果不考虑其转动惯量，它的自转轴也会随球面转动一个△Ω角。 椭圆球面的极坐标方程为 令φ=0， Oxz平面的椭圆极坐标方程为 令该平面为平面Z，地球先在该椭圆轨道上运动。当地球运行的轨道矢径r绕z轴顺时针转动△Ω，方程为 为了计算简单，设△Ω=π/6 ，代入上式 令该平面为平面G。 地球受太阳引力方向变化的影响，沿椭圆球面从平面Z运动到平面G 。平面G与平面Z的夹角为△Ω。平面G与平面Z的夹角也就是地球自转轴应该转动的角度，但是，由于地球自转形成的转动惯量使地球自转轴的方向保持不变，地球自转轴的方向与公转面就不垂直。如果我们把平面Z看作是与地球自转轴垂直的赤道面，把平面G看作是公转的黄道面，地球自转面就会与公转面形成一个角度△Ω。这就是我们所谓的“黄赤交角”。 地球近似一个刚体，地球的自转可以看作是刚体绕定轴的旋转，由于地球自转的速度很慢，就会出现陀螺效应，除自转产生自转角φ外，还产生进动，形成进动角ψ和章动角θ。即服从自由刚体绕定点运动的规律 , , 八、土星、木星和天王星的“光环”是由绕其高速运动的固体物质组成 1610年，伽利略通过望远镜首次发现了土星的巨大“光环”，宽约45000km；1977年，发现天王星也存在宽约7000km的“光环”；最近还发现木星也存在一个小的“光环”。这些“光环”围绕着行星，增添了人类想象的空间和神秘的色彩。那么，这些“光环”究竟是什么？它们是怎么产生的？为什么会是一个薄薄的环围绕着行星？ 我们可以推测： 1、这些“光环”一定是由极高速度的物体所组成。根据自由圆周运动的原理，物体一定要有初速度才能做圆周运动，否则它会被巨大质量的引力所吸纳。第一宇宙速度是环绕行星运动的最低速度。根据土星、天王星和木星的质量和半径，我们可以分别求出它们的第一宇宙速度分别为25.2km/s，15.1km/s和42.1km/s（第一宇宙速度是星体的表面相对速度，半径增大，速度会降低）。 2、人们按照想象，这些美丽、神秘的“光环”一定是由气体组成的。实际上这种可能性极小，这些“光环”一定是由固态物体组成的，因为气态物体不可能获得每秒数十公里的相对速度。这已经被1980年发射的“旅行者1号”所证实，土星“光环”是由1m～1km大小不等的固态冰、岩石块等组成。 3、这些“光环”物体的轨道半径是按照速度分层排列的，速度快的在最里层，速度慢的在最外层，它们的速度又是按质量和密度排列的，因为速度由密度和质量决定。因此我们可以判断，最里层的物体质量最大，速度最快；最外层的质量小，速度较慢；最边缘的有可能是碎冰块或尘埃颗粒。 4、“光环”与行星的自转没有必然的联系，它也不是由行星“甩”出来的。因为土星、天王星和木星的自转速度远远低于与“光环”物体的相对速度。那么，这些组成“光环”的物体最有可能是行星在形成的过程中在宇宙中“捕获”的。由于它们均来自同一个方向，因此它们组成了一个“环”状。 5、由于形成“光环”物体的速度极高，“光环”物体发生碰撞的几率也极高，一旦发生碰撞，就会引起连锁反应，一些物体的速度会加快，大部分碰撞碎块和微粒的速度会减慢。这样，速度快的会下沉，速度慢的将向外扩散，“光环”将出现断层。已经观察到的土星“光环”“卡西尼”环缝就是一个证明。当然，速度低于环绕速度的会撞向行星；少量速度达到逃逸速度的物体会脱离 “光环”，飞出行星的引力场。这些逃逸的高速物体不仅具有环绕速度和碰撞速度，还有可能迭加行星的轨道速度，有可能对地球造成伤害，但这种概率会很低。随着时间的推移，“光环”是否会最终消失，还有待证明。 |
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