03.03 為什麼行星軌道是橢圓的?

張溢解密


行星的軌道大部分是橢圓,這是有一定的觀測基礎證明的,我們知道在開普勒三大定律中,第一個行星運動定律就是,所有的行星都是圍繞著恆星作橢圓運動。而恆星在該橢圓的一個焦點上。這個定律其實用物理上的邏輯推理來構想,並不難理解。

例如太陽和地球的關係,這個二體系統同樣也是存在橢圓的行星運行軌道,我們身處地球就能很明顯的感受到,四季交替和遠近日的點的存在,這都說明我們圍繞太陽繞轉的軌道是橢圓的。

一般來說,一個二體系統,其一都是在作勻速圓周運動的,但宇宙空間中的並不存在完美的二體系統,往往會因為外部因素的影響,而使得運動軌道發生偏移。在宇宙中,行星在圍繞恆星繞繞轉的過程裡,如果僅僅只是受到恆星引力與行星引力的相互作用的話,那麼毫無疑問它們會是作勻速圓周運動的,但正是由於除了這兩種引力外,還有其他引力的影響,才會使行星的運動軌道變成了橢圓。

也就是說,在地球圍繞太陽的公轉過程中,地球還受到了除太陽引力外的其他引力影響,橢圓的軌道,就更多的是地球對附近所以引力的一個折中的運行軌道。還有一個原因是,在原始的行星上,受到了其他天體的一系列擾動,造就瞭如今行星的橢圓軌道,這是行星攝動理論。

所以行星的軌道大部分是橢圓而不是標準的圓,歸功於其他天體的引力干擾。


深空電報


理論上,行星誕生於原行星盤中氣體和塵埃的吸積,原行星盤是個圓而扁平的圓盤,所以形成的行星原本也都是圓形軌道且軌道處於黃道面上的。也就是說所有行星誕生時的軌道應該都是圓形的,而且事實上如果我們對橢圓的定(要)義(求)不那麼嚴格的話,太陽系內所有行星的軌道(除了水星)其實都近乎圓形,肉眼根本看不出橢圓來。

我們通常用偏心率e來描述一個天體軌道的橢圓程度,偏心率體現的是軌道長軸和短軸的差異。e=0時就是標準的圓形,而e越大越大橢圓程度越高,e≥1時軌道不再是橢圓軌道。


而太陽系八大行星(除了水星)的軌道偏心率其實是非常小的,不到0.1,完全可以近乎視作圓形軌道了,而那一丟丟“扁”的部分,主要是由於各個天體之間引力的相互影響,水星受到的影響最大,所以只有它的離心率有0.2.


不過,自從1995年第一顆系外行星被發現,至今人們已經發現了超過三千顆系外行星,人們發現系外行星很多氣態巨行星的軌道……那是真的特別橢圓……偏心率甚至可以接近1,也就是說這些巨行星的軌道曾經受到過其他大質量天體引力的劇烈影響。由此產生的一個推測是,太陽系中八大行星的軌道之所以如此圓,可能是因為太陽系中只誕生了木星和土星這兩顆氣態巨行星,所以各個行星之間引力的影響都不太大,而如果一個恆星系統中誕生了三顆甚至更多氣態巨行星,那麼它們之間的引力作用可能就會完全打亂彼此的軌道,使這些行星的軌道變得非常橢圓了。


haibaraemily


俯仰君陪你解答科學問題

行星運動軌跡是橢圓。近日點時速度快,遠日點時速度慢。

我們都知道,當一個物體在做軌跡為正圓的圓周運動時,它運動軌跡的半徑處處相等,這就需要它處在一個完美的沒有外界不確定因素干擾的狀態。

而行星的運動顯然不可能處在這樣的狀態。

假設一個恆星系在剛剛形成時的一瞬間,行星在圍繞恆星運動時的軌跡是絕對的圓,行星受到中央恆星的引力作為向心力。行星的運動狀態為勻速圓周運動。

然而這個狀態不會是一成不變的,會有相當多的因素來打破這種完美的狀態。

  1. 現實中行星會受很多天體的引力影響。別的行星引力擾動,自己衛星的引力擾動或者是偶遇的小行星的引力擾動。都會使這顆行星被稍微加速或減速。

  2. 恆星會不間斷地發射太陽風,太陽風對於行星運動的加速或減速(地球遠離太陽時加速,接近太陽時減速)效果極其微小,但是再微小的影響積累幾十億年就會變得不可忽視。
  3. 行星的形狀是不規則的,並不是完美的球體,而且多數行星還在不停地自轉。在自轉過程中,行星的重心會不時地遠離或接近恆星(變化幅度極小)。

......

以上種種因素都是干擾行星做規則圓周運動原因,任何一個因素都會打破這種完美的狀態,從而使行星變為橢圓運動。


仰望星空俯瞰世界


1.首先我們想象一下空間是一張布,中間放個鐵球,佈會凹陷下去,變成一個漏斗形狀

2.然後把這個漏斗想象成一個大漩渦,如果有船被捲進漩渦裡,如果船的速度沒有漩渦旋轉速度快,船會慢慢掉進漩渦中心,如果速度相等(第二宇宙速度),那船會繞漩渦邊緣一直走,如果船的速度再快(第三宇宙速度)船就會開出漩渦外邊,注意:彗星的運行軌跡速度夠快,但是切入的方向不一樣,因此就變成了一個很大很大的橢圓形,近日點速度最快,是被漩渦吸進去的。

3.再把上面的鐵球想象為太陽(質量很大),其他行星比作船隻,就可以想象到太陽系平面的運行模式

4.太陽系又繞銀河系中心運動,那是一個更大的漩渦,因此太陽系應該是一個繞大漩渦(銀河系)邊緣運動,漏斗底部向前的運動模式,行星是位於太陽靠後的一個平面,距離越遠,越靠後



5.布只是一個平面,而空間是三維立體的,那重的鐵球放在空間,就形成了空間塌縮,這裡就可以模糊的解釋有些恆星附近的時間扭曲



6.那麼相應的恆星附近時空密度增大,光線通過恆星附近所需的時間也增加,上圖可以直觀的反映出這點。

7.因此我們看到科幻片中的曲率加速是可以實現的,如後面製造一個體積小的,質量非常大的一個物體,那附近的空間就會壓縮,從而實現空間跳躍

8.為什麼軌道是橢圓,因為行星的速度會因空間阻力一直會變化(一般來說沒有星系外的恆星吸引的話是在減小),因此遲早會落入恆星內部,想象必然是橢圓

轉載請註明原作者 創建於2018.1.18


大灰狼-27298456


牛頓發現,在平方反比力如重力的作用之下,任何天體都會沿著圓錐曲線運動。圓錐曲線包括圓、橢圓、拋物線和雙曲線四種。

牛頓判斷,天體繞著太陽運轉,其軌道必然只能是上述四種形狀中的一種。感覺有點像下圖:

上述四種軌道的區別在於離心率:

l 圓形:0

l 橢圓形:0

l 拋物線:1

l 雙曲線:>1

既然有四種選擇,為什麼行星偏偏要選橢圓形軌道呢?

1. 太陽系已經有46億年了。那些沿著拋物線或雙曲線軌道運行的行星早就離開太陽系了。

2. 圓形軌道要求離心率必須正好等於0。實際操作十分困難。

3. 橢圓形軌道的離心率則可以介於0到1之間,相對來說就容易得多了。


小鴿子看世界


你好,這個問題涉及到了引力和斥力以及電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。

宏觀上:比如地球繞著太陽,月球又繞著地球等等這些運動。他們的運動軌跡都是橢圓的,但沒有絕對圓的和絕對橢圓的。這是因為牛頓的萬有引力理論。事實上,地球既要收到太陽的引力同事也受到月球和其它所有物體的引力!引力的大小和物體間的距離有關。換句話說就是物體越大距離越近,它們之間引力越大,反之則小。

宇宙中有太多的物體,它們距離地球的遠近各不相同。在一定範圍內引力的作用是可以忽略的。所以星體在繞著一個物體運動時也會被其他大的或者近的物體“拉一下”。所以軌跡就變得曲折不規則了。

反觀原子。電子繞著原子的運動也不是規則的,它們就涉及到電子之間的同性相斥異性相吸。還有原子核對電子的引力等等。

總而言之就是因為涉及到力的相互作用和轉換,導致了物體運動軌跡和方向的改變。謝謝回答。


江湖的大師弟


近似的圓也是有可能,要保持圓形軌道必須保證行星的質量(所受的引理)在一個距中心天體相符合自己的一定的距離上,而且其初始的進入角也必須是一定的,也就是,質量距離,進入角度必須嚴格相互符合的一致。但是想把這三個條件都湊齊幾乎是很難的。這是原因其一。就算湊齊了這三個條件也不能使其完全的在圓形軌道上。行星在軌道上運行所受的力有兩個方向上的力,一個垂直與運動方向的向心力,一個是運動方向的牽引力。垂直方向的力負責改變運動的角度,運動方向上的力負責改變其速率。原因就出在這個垂直方向的力上。我們知道一個一定質量的物體距離中心天體的距離決定其受的引理大小。就是其重心到中心天體的距離。但是行星的運行軌道是其球心到中心天體的距離。重心永遠比球心到中心天體距離小,換句話說。自己所受的力永遠比自己運行所需要的力大那麼一點。而且距中心天體越近就相差越大,反之則相反。在圓的軌道上因為垂直方向上的力大那麼一點就不可能在保持原來的圓形軌道了。從天體數據上來計算這種差別幾乎是很小的,像地球相對與太陽這種現象幾乎小到忽略不記。但是像靠近太陽最近水行就不樣了。它的現象就比較明顯,所謂的必須用愛因斯坦才能解釋的橢圓軌道的進動性就是這個現象。


596968120


其實在地球表面拋擲物體所走的軌跡並不是什麼拋物線,而是實實在在的橢圓線!所謂拋物線這是一種近似!關於這一點,如果不是系統學過理論力學的,只學過初中的物理的話就不一定能贊同這個觀點,因為所謂“拋物線”早已經被不假思索而深入人心,尤其名稱就是“拋物線”,自然就被認為是天經地義的拋物的軌跡線,但其實不然,真正的拋物的軌跡線是橢圓,其中一個橢圓的圓心就是地球的中心。“拋物線”只是真正拋物軌跡的近似曲線,而不是精確的曲線!


天高雲飄


八大行星軌道太陽以橢圓形的方式主要是因為重力相互作用。太陽有引力,大多數行星也是如此;其他天體也是如此,這些力相互作用的方式,或者相互吸引或者排斥,都會導致軌道運行。大多數物理學家和天文學家認為行星軌道應該完全循環。許多人說,它們實際上是橢圓形的,比其他任何東西都與外力和方差誤差有關。德國天文學家約翰內斯·開普勒是第一個出版證明橢圓軌道的材料,他的理論仍然被認為是決定性的。他們被艾薩克·牛頓和艾伯特添加並擴展愛因斯坦,等等。

太陽系基礎

眾所周知,太陽系包含八顆行星,包括地球,它們以不同的間隔圍繞中心太陽,每顆行星都在自己的橢圓軌道上。水星、金星、地球和火星一起構成了所謂的 “內部” 太陽系。這些行星旋轉最快。更遠的是,人們發現了由木星、土星、天王星和海王星組成的 “外部” 系統。這些行星彼此坐得比內環上的行星遠得多,它們的軌道也往往大得多。所有的軌道都是橢圓形的,儘管除了水星,它們傾向於出現幾乎是圓形的通常只有通過激烈的數學計算,人們才會發現它們實際上是橢圓形的。

偏心的影響

開普勒是 1600 末第一個識別橢圓形狀的人。他想出了三個相關的 “法律行星運動”以某種精度量化軌道運動。通過這些定律,他能夠解釋行星在一個焦點與太陽一起移動的平面上,並確定橢圓的形狀應該根據偏心率來測量;即,越偏軌道,越長。開普勒沒確定為什麼他們軌道在橢圓中,但是他的基礎被其他提出具體解釋的物理學家使用。

重力的重要性

牛頓的研究得出結論重力起主要作用。通過一系列的計算,他能夠表明行星和太陽相互拉動,因為太陽也對它們施加重力拉動。這產生了擠壓軌道的效果,在封閉的系統中,當重力拉力相互作用時,人們可能會期望軌道是圓形的。考慮這一點的一種方法是想象許多手拉太妃糖。

空間曲率

廣闊空間的物理形狀也有所貢獻。愛因斯坦的理論相對論也有助於完成為什麼行星的解釋軌道太陽以橢圓形的方式出現,因為軌道的一部分形狀是行星作用在它們周圍的時空上造成的空間曲率的結果。由此產生的空間的 “彎曲” 對運動有比例的影響,它迫使可能是圓形的東西變平並拉長。

數學應用

在大多數情況下,測量軌道和計算行星速度和運動的唯一準確方法是進行一些有點複雜的數學計算。人們可以計算軌道個別行星以及像這樣的實體彗星使用開普爾、牛頓、愛因斯坦和隨後建立的數學規則,他們也可以使用方程來跟蹤隨時間變化的程度。這些信息對許多應用非常有用,從編程望遠鏡進行觀察到確定接近造成的威脅程度彗星或小行星.

隨著時間的推移而變化

對於人們來說,重要的是要記住,為了便於理解,許多對行星軌道的描述都是簡單的,許多人將太陽作為一個固定的物體放置在行星四處移動的空間中。事實上,太陽和行星一起運動,當它們在太空中移動時,軌道的精確形狀也變化。在討論行星的方式時,應該記住這一點軌道圍繞太陽,因為整個軌道系統實際上在移動。


緯度視角


其實這一問題很簡單,題主也說出了答案只是自己不敢肯定罷了。

行星軌道


其實我們在高中物理學習萬有引力定律和圓周運動時就已經知道,物體作圓周運動的原因是因為受到一些力,而這些力共同產生的效果使物體的軌跡和圓一樣,而我們這個效果用向心力來詳細描述,所以老師也反覆叮囑過向心力只是效果力,不能說物體受向心力。


那麼為什麼行星的軌道不是圓形的呢?這很簡單高中物理所學的知識是建立在理想模型之上,其真正自然意義上的圓周運動幾乎不會存在。而且我們要知道正圓是橢圓中最為特殊的一種情況,稍有一絲外力影響軌跡就不可能是圓。


在宇宙中由於天體質量很大,縱然它們之間的
距離很遠,但他們之間的引力卻不能忽視。因此每一個行星並不是只受一個引力,拿地球來說它不僅受到太陽的引力,還要受其他七大行星的引力以及月球等其他天體的引力,所以就註定不可能是完美的圓周運動。

其實開普勒也早以提出三大定律:

開普勒在1609年發表的偉大著作《新天文學》中提出了他的前兩個行星運動定律。行星運動第一定律認為每個行星都在一個橢圓形的軌道上繞太陽運轉,而太陽位於這個橢圓軌道的一個焦點上。行星運動第二定律認為行星運行離太陽越近則運行就越快,行星的速度以這樣的方式變化:行星與太陽之間的連線在等時間內掃過的面積相等。十年後開普勒發表了他的行星運動第三定律:行星距離太陽越遠,它的運轉週期越長;運轉週期的平方與到太陽之間距離的立方成正比。



當然因為考慮到理解問題,以上只是小科最簡單的解釋,大家理解哦😀如果有更加細緻的解釋可以評論和小科交流😝



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