新发现:地球绕太阳椭圆运动遵循公转与自旋动能守恒规律

新发现:地球绕太阳椭圆运动遵循公转与自旋动能守恒规律

【引言】我们知道,太阳系行星运动遵循开普勒三定律,即

(1) 椭圆轨道定律:行星绕太阳运动的轨迹为一椭圆,太阳位于椭圆的一个焦点上。

(2) 等面积定律:从太阳指向行星的直线在相等时间内扫过的面积相同,即s=v.r.

(3) 和谐定律:行星运动周期的平方与它长半轴的立方成正比,即T²=ka³.

行星绕太阳椭圆运动

开普勒三定律不但为太阳系的行星运动立了“法规”,也为后来的牛顿万有引力的发现提供了理论基础,但这三个定律只是对天文观测现象的总结,并没有触及行星运动遵循这些规律的物理机制问题,本系列文章就是想结合现代天文学最新观测结果,找出它们遵循开普勒三定律运动的物理本质。

新发现:1、地球绕太阳椭圆运动遵循公转与自旋动能守恒规律

司今(jiewaimuyu@126.com)

开普勒第二定律告诉我们:远日点地球绕太阳运动的轨道速度最小、近日点则最大;现代天文观测证明,地球在一年时间里绕太阳作椭圆运动的轨道速度变化是:

夏至点是在6月22-23日,远日点是7月2或3日,远日点正好是夏季开始后的第十天,这时地球绕太阳运动的轨道速度最小,在以后时间里,地球按逆时针方向沿椭圆轨道向秋分点和冬至点运动,其轨道速度会逐渐增大,直至近日点速度增加到最大。依据惯性原理,因此它整体上就会表现出7月、8月份这段时间内其轨道速度比秋、冬季要慢的特点。

近日点是1月3-4日,冬至日是12月21或22日,近日点正好是冬季开始后的第十天,这时地球绕太阳运动的轨道速度最大,在以后时间里,地球按逆时针方向沿椭圆轨道向春分点和夏至点运动,其轨道速度会逐渐减小,直至远日点速度减小到最小。依据惯性原理,因此它整体上就会表现出1月、2月份这段时间内其轨道速度比春、夏季要快的特点。

同时,现代天文观测还发现,地球自旋并不是一成不变,而是随季节性变化而变化,即在夏季7、8月份地球自旋表现得比较快,在春季1、2月份则表现得比较慢的特点。

结合地球轨道速度与自旋速度变化的观测结果,由此可以看出,地球在远日点时,距离太阳的距离r最大,轨道速度v最小,自旋角速度ω最大,地球在近日点时,距离太阳的距离r最小,轨道速度v最大,自旋角速度ω最小,即用物理公式描述就是

E=mv²/2+Iω²/2.

这同自旋刚体平面平行运动能表达式相同,但不同的是地球椭圆运动是有心力的运动。

自旋刚体平面运动动能E=mv²/2+Iω²/2

由此可见,地球绕太阳椭圆运动遵循轨道与自旋动能守恒规律,这样,地球自旋存在季节性变化的现象就很容易理解了,产生这种现象的物理机制就是地球绕太阳椭圆运动遵守E=mv²/2+Iω²/2守恒的结果,即地球自旋变化就像地球轨道速度变化一样,从远日点自旋最快开始到7、8月份这段时间内整体上会表现出比秋、冬季快的特点;从近日点自旋最慢开始到1、2月份这段时间内整体就会上表现出比春、夏季慢的特点。

同时,也可以看出,开普勒第二定律(角动量守恒)只是揭示了行星轨道速度v与轨道半径r之间存在的守恒规律,即s=vr;其实,行星自旋角速度ω与轨道半径r之间也存在守恒规律,即ω/r=k.

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