太陽系是平面,那麼地球繞太陽公轉,為什麼呢?

時間 2021-07-04 08:02:27

1樓:

在不考慮外部顯著擾動等情況(實際上時間尺度放的很長總是有的),在簡化的理想模型(球,均勻,真空,遠場質點blahblah..),穩定狀態下:

引力為有心力->

角動量守恆->

地球相對於力心運動的位矢 始終垂直於地球質點 的((繞日公轉)軌道)角動量 方向,即 的時間演化 描述的運動限定在一垂直於角動量方向的平面。此平面由初始的 兩向量即可決定。

1.萬有引力是有心力,對地球來說,力心為太陽內部的公共質心。地球收到引力為

.是質點到力心的位矢,定義力心處為 ,為其大小(注意粗體均為向量)。 表示太陽質量, 表示地球質點質量(良好近似)。負號表示太陽對地球吸引。

2.有心力場中質點相對於力心/共同質心,因為引力作用在質點 上的力矩 :(向量叉乘)

故而質點 軌道角動量守恆:

3. 質點 到力心/公共質心的位矢 與質點相對於力心/公共質心的角動量 方向始終垂直,因為:

( 為動量,向量的混合積的幾何意義:其絕對值為 三向量於空間張成的平行六面體的體積,顯然,其中 , 相同/平行,體積為0 )

——因地球質點 在空間中運動的角動量 守恆,故地球的演化描述的有心運動限定在一垂直於角動量 方向的平面上。

月球繞地同理分析。

PS:(以下這些部分可以自己下個Celestia去實際看看)

遺憾的是,月球繞地和地球繞日不在乙個平面內,而是接近,故題目補充描述不大準確/有誤。

另外:太陽系也不是「平面」,只能說冥王星以內的八大行星等的公轉平面「近乎在同乙個平面上」,從原行星盤 的角動量來分析這似乎是合理的;但不一定需要嚴格滿足,加上冥王星也就更不是乙個「平面」,何況我們需要考慮柯伊伯帶,奧爾特雲等等……

理論上來說,行星的衛星繞行星也不一定需要和行星繞恆星乙個軌道平面內,太陽系內乙個極端例子可以想想躺平的天王星,所以它的環(≈連續分布的衛星微粒)相對於繞日公轉面是「豎」的。(具體怎樣可能取決於各種角動量的初始條件,這裡就很複雜了:比如衛星起源時與行星同源的還是俘獲的;如果是同源的,區域性原行星形成時區域性的角動量分布是怎樣的(可能有非線性/湍流等)?

比如形成過程中可能有壓力(物態方程)的變化帶來的非線性等,形成後可能有外部擾動,等等。(必須承認自己對行星科學不熟…可能不準確)

月地公轉軌道vs地日公轉軌道(其他藍線是其他行星繞日軌道)這樣截圖說明兩面不同是很粗糙的,但至少能看出兩面不平行。

如果太陽系只有太陽和地球,那會怎樣?

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