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57_avatar_small 楼主: 冷专问
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为什么地球会一直围着太阳转?

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online_member 发表于 2023-2-28 11:28:27 | 显示全部楼层
2017.11.16编辑回答:
我回答这个问题时候万万没想到会招来民科。评论区大家看了笑笑就好了……大家还是要努力提高自己的姿势水平,不然一不小心成了谐星也不好。
还有,如果题主问的是引力的来源,那就得牵扯到广义相对论了。可惜本人没有系统学过广相,不敢妄加评论。这方面楼上有一个答主说的比我好。

以下是原答案:
总结一下题主的问题:

  • 为什么地球一直围绕着太阳,而不会被吸进去或者飞走
  • 为什么地球能够围绕太阳公转46亿年之久?
首先回答第一个问题。
地球在太空中运动,太空中的物质密度是极低的,接近真空。因此我们可以假设地球运动时不受阻力(这个假设将在第二个问题下论述)。在太阳-地球系统没有耗散力(把能量转化为热能散发到真空中的力,例如摩擦力)参与的情况下,地球的运动将遵循角动量守恒。假如地球的运动轨道是一个以太阳为圆心正圆,根据牛顿第二定律,由于引力永远垂直于运动方向而不对其做功,那它将永远作匀速圆周运动,保持与太阳的距离不变。
现实中,地球的轨道并不是一个正圆,而是一个偏心率非常小的椭圆。但是只要系统中无耗散力作用,那么我们总是能够使用角动量守恒定律及能量守恒定律。
由这两个定律加上牛顿运动定律,可以推演出开普勒行星运动三大定律,即:
椭圆定律:行星绕恒星旋转的轨道为椭圆,恒星在椭圆的其中一个焦点上
面积定律:单位时间内行星与恒星的连线划过的面积不变。
调和定律:行星绕太阳的周期平方与其轨道半长轴的立方成正比。
具体的推导百度就有。不赘述
虽然行星的运动轨道为椭圆轨道,但本质上是重力势能与动能的转换。没有耗散力保障了系统的总能量不变。同时,虽然地球和太阳之间的距离在一个运动周期内会改变,但是由于万有引力做功,地球的速度也在改变,保证地球所需的向心力和太阳对地球的引力一直都是“平衡”的。
例如,地球从近日点运动到远日点,太阳对地球的引力减弱,然而于此同时,万有引力做负功,地球运动速度减缓,所需的向心力减小。从而一直保持平衡。
综上,在没有耗散力参与的情况下,地球能够保持在椭圆轨道上运动,万有引力与向心力保持平衡,不会被吸进去或者飞走。

然后是第二个问题。
如前述,地球-太阳系统在无耗散情况下是稳定的。太空中存在尘埃、陨石等等,这些物质和地球的摩擦和撞击会带走地球的动能。
"It averages 1 atom per cubic centimeter. but density great as 1000 atoms and as small as 0.1 atoms per cubic centimeter has been found.
Chaisson, Eric & Steve McMillan, Astronomy today. New York: Prentice Hall, 1993:418.
The Physics Factbook: Density of Outer Space
太空的平均物质密度为每立方厘米1个氢原子。作为对比,一个大气压下的氢气为每立方厘米 为什么地球会一直围着太阳转?331 / 作者:123457732 / 帖子ID:114067
我们可以粗略计算一下每年地球因为碰到氢原子而损失的能量:
微波背景辐射温度为3K. 每个氢原子的动能为 为什么地球会一直围着太阳转?545 / 作者:123457732 / 帖子ID:114067 .假设完全非弹性碰撞,可以将氢原子的动能近似为地球每次碰撞损失的动能。地球半径为 为什么地球会一直围着太阳转?797 / 作者:123457732 / 帖子ID:114067 . 距离太阳 为什么地球会一直围着太阳转?69 / 作者:123457732 / 帖子ID:114067 .每年划过的体积约 为什么地球会一直围着太阳转?756 / 作者:123457732 / 帖子ID:114067 , 每年损失动能 为什么地球会一直围着太阳转?298 / 作者:123457732 / 帖子ID:114067 。过去45亿年损失的动能为 为什么地球会一直围着太阳转?51 / 作者:123457732 / 帖子ID:114067
地球本身的总动能约为 为什么地球会一直围着太阳转?300 / 作者:123457732 / 帖子ID:114067
也就是说45亿年来由于太空物质摩擦导致的动能损失大约占地球总动能的 0.00000000125%.
这点能量损失对于地球本身的动能来说是微不足道的。
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