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没想到吧,太阳系的这个行星根本不绕太阳转

2019-12-01 08:13:01 阅读量:155

参考nasa等人

编纂七王子

教科书告诉我们,太阳系的八颗行星围绕太阳旋转,太阳是太阳系的中心。这幅画大致是这样的-

因此,当我们想象行星围绕太阳旋转时,一个类似旋转木马的模型总会出现在我们的脑海中。太阳似乎固定在中心,而其他行星围绕太阳的中心旋转。

这种解释清楚易懂,适合教学,但实际上也有一些缺陷。这是因为太阳系中有一颗行星不是围绕太阳旋转的。它实际上围绕着空间中一个看不见的点旋转。

这颗行星是木星。

木星

@nasa / jpl

嗯,太阳在行星上有引力,行星也在太阳上有引力,所以当行星围绕太阳旋转时,固定点并不完全是太阳的重心。例如,你和你的同学手牵着手,不动点不是在你或你的同学身上,而是在你们之间。

这个固定点叫做重心,类似于天平的支点。计算质心的位置是一个典型的二元问题。中学生应该已经计算过很多次了。质心更靠近质量较大的人。每个人都有相同的质量,质量的中心是居中的。

图心

@nasa

例如,在地球-月球系统中,地球和月球的质心是地球半径的75%,即距地球质心4671公里。

地月系质心(黑叉)

@esa

然而,对于太阳系中除木星以外的其他行星,它们的质量与太阳相比可以忽略不计(例如,地球的质量只有太阳的0.0003%),所以这个质量中心总是落在太阳上,接近太阳的重心。

然而,木星的质量是所有其他行星总和的两倍(木星的质量大约是太阳的0.1%),所以木星-太阳的质量中心离太阳的重心更远,大约是太阳半径的1.07倍,离太阳表面大约48,000公里,比地球赤道圆周还要长,我们不知道人类出售的奶茶是否能够首尾相连。

地球和月球的质心在哪里

@nasa/sdo

换句话说,木星和太阳都围绕着这个离太阳表面48,000公里的看不见的点旋转。

那么太阳围绕这个质心旋转的速度有多快?

由于木星的引力,太阳围绕质心的旋转速度是每秒13米。相比之下,太阳绕地球-太阳系统质心的旋转速度仅为9厘米/秒,木星绕太阳旋转需要11.8年,太阳绕质心旋转需要11.8年。

知道这些知识有什么用?

这非常有用。因为太阳和木星围绕宇宙中的一个看不见的点旋转,所以太阳似乎在其他地方微微颤动(其他惯性参考系统)。

不同角度观测的恒星抖动

@nasa

事实上,这种抖动发生在所有的二进制系统中,这种抖动也是天文学家发现围绕恒星运行的巨大太阳系外行星的一种方式。

从地球上看,如果遥远的恒星有像木星这样的大质量行星,它相对于地球的速度会周期性地变化。这种变化将使恒星发出的光变成蓝色和红色。

例如,由于太阳的晃动,太阳的光谱——夫琅和费线——周期性地从红色变为红色,从蓝色变为蓝色。

太阳光谱线

其他恒星也是如此。当它们向我们晃动时,它们的夫琅禾费线会变成蓝色,而当它们晃动时,它们会变成红色。这种探测恒星附近行星的方法叫做多普勒摆动。

没有红移或蓝移(上)、红移(中)、蓝移(下)的光谱

@caltech

说到旋转,还有一个有趣的现象叫做扎尼·贝科夫效应(Zani Bekov effect),这是前苏联宇航员弗拉基米尔·扎尼·贝科夫发现的。

微重力下的赞尼·贝科夫效应

@nasa

1985年,赞尼·贝科夫在太空执行任务时发现,在微重力状态下旋转的蝶形螺母会周期性地翻转。

微重力条件下蝶形螺母的赞尼·贝科夫效应

@engineeringclicks

这一现象吓坏了前苏联。他们担心这会引起人类对世界末日的恐慌。你认为,地球可以被看作一个巨大的蝶形螺母,地球也绕着它的轴旋转。如果扎尼·贝科夫效应适用于一切,那么地球将在周期结束后旋转180度。那地球就不会被迷惑了?

然而,物理学家再次拯救了地球。最初,是中间轴定理主导了扎尼·贝科夫效应,而中间轴定理并不适用于地球。

简而言之,如果一个物体(刚体)在沿xyz轴旋转时有三个不同的惯性矩(质量乘以粒子和旋转轴之间垂直距离的平方),那么它被认为有三个不同的惯性主轴。

t形刚体的三个惯性主轴红色的是中轴,围绕它旋转产生的惯性矩是居中的。根据中轴线定理,如果丁字刚体绕着它旋转,它肯定会周期性地翻转。

@randy dobson

中间轴定理指出,只有当物体沿着产生最大转动惯量的主轴或产生最小转动惯量的主轴转动时,它才相对稳定。当它沿着中间的惯性主轴旋转时,它将不可避免地周期性翻转。

这就是为什么当你把乒乓球拍绕着下面的轴扔的时候,它肯定会翻过来。因为这个轴是乒乓球拍的中轴,所以围绕它旋转产生的惯性矩既不是最大的也不是最小的,这是非常不稳定的。

但如果你这样扔,你不会-

这不会丢失-

@kettering大学

事实上,中轴定理也解释了跳水和体操运动员在空中转身时的手部动作。

西蒙·比尔斯在2019年全国体操比赛中的重力漠视

为了翻筋斗,运动员必须使身体不对称,并沿中轴旋转。所以你可以看到他们会突然采取超人的姿势,一只手向上,一只手向下。

筋斗旋转需要在中间轴上旋转,所以身体是不对称的。

@工业和应用数学学会

但是如果你不在空中翻筋斗,那么你必须确保你在最大或最小惯性主轴上旋转,所以运动员必须保持身体对称,爪子对齐。

只要翻几个筋斗,不要旋转,你需要身体在最大或最小惯性的主轴上旋转。

@工业和应用数学学会

另一方面,完美的均匀真空球形鸡肉无论如何旋转都具有相同的惯性矩。没有中间轴,它就不能产生赞尼·贝科夫效应。

地球是相似的。虽然地球不是一个完美的球体,但它在赤道附近更凸,所以它实际上是一个只有两个不同的惯性主轴的球形球体,而且没有中间轴,所以它不适用于中间轴定理。

地球只有两条不同的惯性主轴。

@哥伦比亚大学

此外,地球已经沿着惯性主轴旋转,产生更大的惯性矩,所以地球的旋转相对稳定,不会周期性地转动。害怕地球会突然使用托马斯旋转的街舞风格的学生可以轻松地洗刷路面。

顺便说一下,猫总是可以用四只脚着地的法律在太空中是无效的。如果在格斗比赛中看到猫在微重力状态下转动,它可能会更加怀疑生命。让我们来看看美国联邦航空管理局所做的研究

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