为什么行星轨道都是椭圆的

为什么行星轨道都是椭圆的

早在十七世纪,科学家们就注意到了行星的椭圆性轨道问题.素有“天空立法者”盛誉的德国天文学家开普勒,于1609年发表了两条关于行星运动的定律,其中第一条定律说：每一行星都沿着椭圆轨道绕太阳运行,太阳位于椭圆轨道的一个焦点上.那么,行星的运动轨道为什么是椭圆形,而不是标准的圆形呢?这一问题在万有引力定律问世之前,曾困扰了许多科学家.1684年,当时著名的科学家惠更斯、胡克和哈雷等人,虽然他们都认为天体间的引力作用存在着“与距离的平方成反比”的关系,但是,却难以解释行星的椭圆形轨道问题.据说,当哈雷登门拜访牛顿时,才知道这个问题牛顿早己在两年前解决了.
牛顿是如何解决这一问题的呢?根据物体的初始速度和位置,牛顿通过计算证明,在万有引力的作用下,物体的运动轨迹有三种：椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道.如果行星的初始速度很大或离太阳很远,就会形成抛物线轨道或双曲线轨道,它们都属于非闭合轨道.在抛物线与双曲线的轨道上,行星只能在太阳附近出现一次,以后就消失了.而太阳系诸行星之所以能够在椭圆形轨道上运行,就是因为行星最初离太阳不是很远,或者运动的初始速度不是特别大.
问题似乎顺理成章地解决了,然而一经分析就会发现,牛顿在解决行星椭圆形轨道问题时,运用的是太阳系起源的俘获说.行星椭圆形轨道的形成是有前提的,即在太阳系的演化过程中,行星必须是具有一定初始速度和位置的外来客体,这是俘获说的观点.而现代太阳系起源学说认为,行星是在原始星云盘中诞生的,星云盘在绕星云核的旋转过程中形成星云环,然后再由星云环演化为行星.行星和太阳是由同一原始星云演化而来,这样诞生的行星只能运行在标准的圆形轨道上.行星与太阳的同源性,使牛顿对行星椭圆形轨道的解释失去了理论前提.
如果说行星不是按牛顿的俘获说演化而来的,那么行星的椭圆形轨道又是如何形成的呢?答案是太阳旋转质量场的作用结果.
行星绕太阳公转,将受到来自太阳两种力的作用,其一是万有引力,力的方向垂直于行星的运动方向,它为行星的圆周运动提供了向心力.其二是太阳旋转质量场产生的涡旋力,力的方向与行星的运动方向相同,因而这种力将使行星圆周运动的线速度不断增大.
根据经典力学,做圆周运动的物体,在向心力不变的情况下,其轨道半径与线速度的平方成正比；所以当行星线速度增大时,其轨道半径将同时增大.因此,在太阳两种力的作用下,行星发生了非匀速圆周运动,由初始的圆形轨道进入了椭圆形运动轨道.行星的这一轨道演变,与银河系恒星的轨道演变过程完全相同.
唉,好辛苦!不知这样解释是否让楼主解惑?

纯圆周运动的苛刻条件：1、初速要与向心力垂直，2、距离作半径的向心力与万有引力相等。 天体运动不可能恰巧满足此苛刻条件，首先初速往往与引力有一个不垂直的角度，径向速度会拉长距离变得不圆。其次，若此半径需要的向心力与引力不等，会促使改变曲率半径才能相适应。所以，天体运动轨道都是椭圆。椭圆每点的曲率半径是变化的。 只是不同的椭圆，偏心率有大有小，决定扁的程度。偏心率e就是焦点与中心的距离c在半长轴a上所占的比例c/a。圆为0，越大越扁，越小越圆。 开普勒三大定律就是椭圆运动的总结性规律，高等物理上对三定律有严格证明。 可以用极坐标系求出椭圆具体方程。 许多人误以为太多的星球互相影响造成轨道扁了，这是错误的，毕竟距离很远，互相影响并不大。

圆形轨道与椭圆形轨道 假设你登上华山的东峰，站在朝阳台上，将一块石头水平抛出，会看到它迅速的朝山下坠去，你也许看到它砸在了峰下的某个地方，这时如果你再用力抛出另一块差不多大的石头，如果你还能看到它在山下的落点，那这次的落点一定是比刚才的落点远一些，因为你用了更大的力。 这基于一个事实，地心引力对物体产生向下的拉力，拉力使物体的运动状态发生变化。拉力产生的向下速度相同，因此两块石头从山上到山下的时间也一样。但用的力不同，石头在水平方向运动的速度也就不同，那么相同时间内，它们在水平方向的运动距离必然不同。 再看另一个事实，地球是圆的。在物体下落运动的距离中，地球表面也向下弯曲，那么实际的落点要比在水平面上的落点要远。如果可以让物体的速度足够大，在它朝地面下落1米时，地表亦向下弯曲了1米，它与地表的高度没有变化，这样它就永远不会落地，产生了与地球表面同心的圆形轨道。 保持轨道运动的能力取决于沿地表曲线向前运动的速度，该速度必须保证物体不至于落地才行。由于高度较高的物体比高度较低的物体受到的重力影响要小，因此高度增加时，保证圆形轨道的速度可以降低一些。 如果让物体获得更大速度，在下落1米的时间内，向前运动的距离足以达到地表向下弯曲了2米的地方，这样物体到地表的距离实际上增大了，即高度增加。继续运动则高度不断增加，但由于重力的作用，使上行的物体逐渐慢下来，绕地球半周后，高度最大。接下来物体与地球的高度开始减小，并继续绕地球运动。最后，球又回到原来的位置，恢复原有速度，又开始了一次原来的运动，这样就形成了椭圆轨道。 对椭圆轨道的理解符合我们一般的认识，可以想一想如果你朝空中扔一个石块，它在爬升时开始慢下来，在爬升到最高点时速度最慢，然后它冲向地面速度又开始回升。 椭圆轨道的速度 偏心率值近地点速度 0(圆形)轨道中各点速度相等 0.1远地点速度的122%圆形的105% 0.3远地点速度的186%圆形的114% 0.5远地点速度的300%圆形的122% 0.7远地点速度的567%圆形的130% 0.9远地点速度的1900%圆形的138% 偏心率用来测量椭圆的形状，偏心率越大，椭圆就越扁。椭圆的偏心率在0-1之间，用焦点间距离除以长轴的长度可以算出偏心率。

从数学物理理论上说，根据牛顿万有引力定律和牛二定律，可以证明出行星的轨道是圆的或椭圆的，而现实情况中圆轨道很少，我们见到的大多数是椭圆的。

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