距离这么近太阳都没有吃掉水星,天体为什么要绕圈?这是一种平衡

太阳系拥有8颗行星、大量的矮行星、173颗行星的卫星以及不计其数的小行星,它们都围绕太阳有序运行。

在太阳系所有的天体之中,水星无疑是距离太阳最近的,它与太阳的平均距离只有5800万公里,不仅如此,水星还是太阳系八大行星之中最小的一颗,直径只有4880千米,比月球的3476千米也没大多少。就是这样一颗离太阳很近的小个子行星,却并未因太阳强大的引力而坠入太阳之中,经年累月,它始终围绕太阳有序运行,这到底是为什么呢?为什么太阳系中所有的天体都要围绕太阳一圈一圈地绕圈玩呢?

这是一个非常有趣的问题,在解答这个问题之前,我们首先要明确一个天体是否会被太阳所吃掉,与它的大小和距离其实并没有直接的关系。

其实,有史以来与太阳最近的东西并不是水星,而是2018年8月12日人类所发射的“帕克太阳探测器”,2021年4月,帕克太阳探测器成功穿越了阿尔文临界面,进入了太阳大气层之中。帕克太阳探测器与太阳的最近距离只有690万公里,比水星可是近多了,而且它的体积和质量都小得可以忽略不计,不是也没有被太阳给吃进去吗?太阳太大了,它占据了太阳系物质总量的99.86%,所以不论是帕克太阳探测器,还是水星,甚至是地球,对于太阳而言都只是一粒质量可以忽略不计的尘埃,没有区别。

那么是否会坠入太阳之中到底和什么有关呢?速度。

任何拥有质量的物体都具有引力,且质量越大,引力就越强,太阳作为一颗巨大的恒星,引力自然也是十分强大的,所以要想不被太阳吃掉,就要有一股力量来与太阳的引力对抗。太阳是一个球体,当一个物体在太阳表面水平移动的时候,会产生一个离心力,这个离心力的方向恰好与指向太阳中心的引力方向相反,物体的运动速度越快,离心力就越大,所以物体也就能在太阳表面飞行更远的距离,当物体的运动速度达到一定程度的时候,离心力的大小就会与太阳得引力相等,此时物体便能够围绕太阳运行而永不坠落。

如果这个高速运动的物体在太阳的大气层之外,由于没有空气阻力,速度也就不会下降,所以理论上它就可以围绕太阳永恒运行。

水星就是这样一个高速运动的物体,它绕行太阳的平均速度为每秒47.4公里,近日点时的最快速度甚至可以达到每秒192公里,其所产生的离心力显然超过了太阳的引力。这里需要提一下,这种解释方式只是为了不让问题变得更为复杂,便于理解,实际上物理学中并没有离心力的概念,所谓的离心力应该表述为“向心力的不足”。现在产生了一个新的问题,那就是逃逸问题。当物体的运动速度足够快时,便可以摆脱一个引力场的束缚,而太阳系的逃逸速度为每秒16.7千米,水星早已超过,为什么没有逃逸呢?

太阳系的逃逸速度,也就是我们通常所说的“第三宇宙速度”,为每秒16.7千米,这个数字是有前提条件的。

所谓的第三宇宙速度,指的是从地球发射航天器所应具备的初始速度,也就是说如果我们想要从地球上发生一枚航天器,它如果具备了每秒16.7千米的初始速度就可以摆脱太阳系的引力束缚,一举冲出太阳系,但引力的大小与距离的平方成反比,所以距离太阳越近,所需的逃逸速度就越大,因此在水星所处的位置,逃逸速度并不是每秒16.7千米。

当一个物体运动所产生的离心力与引力实现平衡之后,它便可以永不坠落,而当他的速度超越了逃逸速度,则会彻底摆脱引力场的束缚,那么如果这个物体的运动速度远超与引力对抗所需的速度,但是又未能达到逃逸速度,会怎么样呢?

当一个物体的运动速度刚好与引力实现平衡,那么它的轨道理论上应该是一个标准的圆形,随着速度的增加,它的轨道会趋向于椭圆,且这个物体的运动速度越快,这个椭圆形的轨道就越椭,以太阳系的天体为例,就是它们的近日点与远日点差距越大。水星就是这样一个天体,它的近日点为0.3075个天文单位,而远日点为0.4667个天文单位。

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