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天体力学

万有引力定律

两个质量以 F = GMm/r² 相互吸引。当引力恰好等于向心需求,即 v = √(GM/r) 时,出现圆轨道。月亮不是没在下落,而是一直在向侧方下落。

从树枝上掉落的苹果和绕地球运行的月球,遵循的是同一条规律。两个物体之间的引力与它们质量的乘积成正比,与距离的平方成反比,写成公式就是 F = GMm/r²。距离增大到原来的两倍,引力就减小到原来的四分之一。那么,月球为什么不会掉到地球上?其实它一直在下落,只是侧向运动得非常快,下落多少,就恰好从地球旁边错开多少。

中间的金色圆代表质量 M,周围虚线圆环上的八个箭头,表示放在该处的物体所受引力的方向和大小:箭头都指向中心,长度就是力的大小。用滑块增大距离 r,圆环随之扩大,箭头则按距离的平方迅速变短。距离变为两倍时,力只剩 1/4;变为三倍时,只剩 1/9。你会直观地看到,稍微远一点,引力就减弱得很快。

用滑块增大右边金色物体的质量 m₂,两个物体彼此施加的力始终大小相等,读数中的 F 就是这个共同的值。变化的是加速度。加速度等于物体所受的力除以它自身的质量,所以在质量不变的左边小物体 m₁ 上,绿色箭头 a₁ 随 m₂ 成正比地变长,而右边物体上的橙色箭头 a₂ 长度不变。苹果和地球以同样大小的力相互吸引,明显动起来的却是苹果,原因就在这里。

圆轨道是下落运动和侧向运动恰好平衡的状态。滑块决定物体从虚线圆上的出发点沿侧向抛出的速度,图中画出它此后经过的路径。速度恰好为 v = √(GM/r) 时,路径与虚线圆重合。比这慢,就变成向圆内凹进的椭圆;慢得多,就会撞上中心天体。反之,比这快,椭圆向外拉长;越过某个临界值后,物体一去不返,进入逃逸轨道。

秤上读出的体重,是所在高度的重力加速度 g 乘以人的质量。升高高度滑块,g = GM/r² 随之减小,金色柱和虚线 g 一起下降。国际空间站里的秤显示为 0,并不是因为没有了重力,而是空间站和宇航员一起在做自由落体,脚不再压在秤上而已。切换到“自由落体”后,金色柱降到底部,而虚线 g 仍留在原处。

像地球这样的球形天体产生的引力,从外部看,与全部质量集中在中心一点时完全相同,这就是球壳定理。图中同时画出了点质量和均匀球体的引力曲线:用按钮选中的那条是金色实线,另一条是浅色虚线。在竖直虚线 R 以外,两条曲线重合为一条,只有在内部才分开。进入球体内部后,外层球壳的引力相互抵消,g 沿直线向中心减小;而点质量的引力越靠近越大,没有上限。正因为如此,计算时可以把行星当作一个点。

实际应用引力 F = GMm/r²,与质量的乘积成正比,与距离的平方成反比。两个物体受到的力相等,但较轻的一方加速度更大;要沿圆轨道运行,侧向速度必须达到 v = √(GM/r)。高度越高 g 越小,但轨道上的失重并不是因为没有重力,而是因为在自由落体。根据球壳定理,从外部看,行星可以当作位于中心的一个点质量。
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