目前天文学对引力捕捉和引力弹弓效应仍停留在现象发现和探索应用上,而其机制仍然是一个谜,目前还没有完整的计算方法和理论体系。
引力捕捉中最常见流星(陨石)、人造空间站的下降等,关于引力捕捉的理论诠释和推导计算,目前天文学论述仍存在很多的空白和误解。
引力弹弓效应最早为苏联科学家提出,宇宙飞船中的旅行者号作了实际应用,而《流浪地球》中的引力弹弓效应只能算是科幻,目前,对于引力捕捉和弹弓效应的理论诠释和计算,主要是利用能量和动量守恒定律,但其计算结果出现悖论和错误,事实上,引力捕捉和弹弓效应中能量是不守恒的,而仅遵守共核惯量守恒定律。
本篇文章通过阐述共核惯量守恒定律的内容,推导了天体运动最基本的法则---共核常量恒等方程;同时诠释了引力本质;定义和计算了引力分界线;从而展开了对引力捕捉和弹弓效应的全方位计算,这为宇宙飞船航行、月球着陆和返航、星际旅行等提供了完全开创性的计算方法和理论基础。
本文分为两部分,第一部分主要论述共核惯量守恒定律的内容;引力分界线的定义与计算;引力捕捉的主要现象、诠释和计算。
第二部分主要论述共核惯量守恒定律的衍生守恒--径量守恒定律,而动量守恒仅仅是径量守恒定律的特殊形式;引力弹弓效应的原理与计算;旅行者号的运动轨迹分析和计算,并将在后述中推导出三体问题的运动轨迹方程。
1. 共核惯量守恒定律1.1共核惯量守恒定律的核心内容宇宙中一切质量物体的运动都可以确定为相对一个点或对称轴为参照系的运动,这个点或轴叫做核心,因此称为共核运动。
以同一核心为参照系的所有运动物体就构成一个共核系。如:绕地轴自转的地球和地球上的一切物体构成地球自转共核系;月球绕地心公转构成共核地月系;行星绕日心公转构成共核太阳系。
在共核运动中,有共核惯量守恒定律,其核心内容是:
一切质量物体在不受任何外作用下,将永恒的相对核心(点或轴)作共核惯性运动,且其任意时刻中任意轨迹点的共核惯量守恒。
在天体运动中,自转、公转、自由落体、具有逃逸速度的逃逸抛体运动、引力捕捉、弹弓效应等,都可以确定为共核惯性运动,且其在确定的共核系内有共核常量恒等方程,这是天体运动的基本法则,即:
(1.1.1)
(共核常量恒等方程的量纲1-1-1)
在天体运动的各种共核惯性运动中,共核常量恒等与质量和共核惯性运动的形式无关,利用共核常量恒等方程,可以方便的计算出宇宙中不同共核系的共核常量值,如下表(1-1-2):
(1-1-2)
下表为共核太阳系中各个天体的参数计算列表:(1-1-3)
(1-1-3)
共核惯量的定义是:把质量与共核常量的乘积叫做共核惯量。
天体运动的任意一个共核系内的公转、自转、自由落体、自由抛体、引力捕捉、引力弹弓效应都可以确定为共核惯性运动,这些运动的统一特征就是:在任意时刻任意轨迹点上都始终保持共核惯量守恒,且在外力作用下可以实现互化,外力消失后依然保持共核惯量守恒。
因此,在确定的共核系中有共核惯量守恒方程:
(1.1.2)
这表示天体的共核惯性运动是无需外力作用的永恒运动,是共核惯量守恒下的质量物体运动的特征和禀性,共核惯性运动形式是多样化的。
共核惯性运动的轨迹定义:满足任意时刻保持共核惯量守恒的点的集合。
在公转运动中,任意轨迹点上公转速度平方与核心距离的乘积始终等于共核常量,表明共核惯量守恒,那么,天体的椭圆轨道就是公转天体满足任意时刻保持共核惯量守恒的点的集合。
例如:在太阳系中,行星轨道都是椭圆,而椭圆上任意轨迹点的共核常量恒等,这表示绕日心公转的所有行星轨道,就是任意时刻任意轨迹点上保持共核惯量守恒的点的集合,这与行星质量、轨道位置和空间位置都无关。
再如:自由落体运动的运动轨迹是朝向核心的直线,其任意轨迹点的重力加速度与核心距离平方的乘积始终等于共核常量,表现其任意时刻保持共核惯量守恒,那么保持共核惯量守恒的点集合就是朝向地心的直线轨道。
又如:当地面上的质量物体具有第二宇宙速度,将无限远离开地球作自由抛离运动,那么其运动轨迹就是相对地心的直线,其任意轨迹点的速度平方与核心距离的乘积的一半始终等于共核常量,这表示其任意轨迹点始终保持共核惯量守恒。
这些都是不受外力作用下,保持共核惯量守恒下的共核惯性运动的轨道成因。
1.2万有引力定律与共核惯量守恒定律的统一在共核惯量守恒定律下,对力的定义是:共核惯量与核心(轴)距离的平方比。即:
(1.2.1)
那么在不同的共核惯性运动中,产生的运动衍生力的公式就是:
(公转运动)(1.2.2)
(自由落体运动 )(1.2.3)
(自转运动)(1.2.4)
(逃逸抛离运动)(1.2.5)
引力常量是共核常量与核心天体的质量比,即:
(1.2.6)
这样共核运动衍生的万有引力就是:
(1.2.7)
显然,万有引力定律是共核惯量守恒定律下的一个推导式。
这样,关于万有引力的本质就是:
一切作共核运动的物体将产生运动衍生力,它与万有引力的大小、方向一致,在经典物理学中把共核运动的衍生力误读为质量物体具有的超距引力,实际上万有引力是共核运动产生的运动力(能量)。
总之,质量物体不存在相互之间有超距的质量引力,仅仅是因为一切质量物体在保持共核惯量守恒下而永不停息的作共核惯性运动,如公转、自转或自由落体到地面后再自转,逃逸抛离运动等,这些质量物体始终保持共核惯量守恒而相对核心作共核惯性运动,从而产生永恒的运动衍生力(能量),这就是万有引力。
显然,万有引力的施力物体是质量物体本身,或者说是共核运动物体本身所具有的,而不是外界质量物体的超距力施加。
例如:天体公转、自转、自由落体运动、具有第二宇宙速度的逃逸抛离运动、包括下面讲述的引力捕捉和弹弓效应等等,都是不受任何外力作用下,其任意轨迹点始终保持共核惯量守恒下的共核惯性运动。
宇宙中找不到不作共核惯性运动的质量物体,包括原子和分子的微观世界在内,因此,引力无处不在,从而具有同时性和普遍性的特征。
有了上述共核惯量守恒定律的理解,下面将对引力捕捉和弹弓效应作共核惯量守恒分析和计算。
2引力捕捉的原理与计算2.1引力分界线定义和计算在一个独立共核系中的共核惯性运动,其任意轨迹点的共核常量始终恒等,若宇宙中只有一个独立的共核系,那么该共核系空间是无限的。
而事实上,在有限的宇宙空间中存在无数个不同的共核系,几个相邻共核系之间自然就有了干扰和制约,这样各个共核系的空间势力范围将大大变小。
例如:地球附近就有月球、太阳和各大行星,这样,共核地月系的空间自然被挤压在一定的区间,只能在这个有限的区间内才能保持地月系的共核惯性运动保持共核常量恒等,因此:
把两个或多个近邻共核系各自保持共核常量恒等的三维空间,叫做共核常量恒等区。
那么,如何定义和计算两个近邻天体的引力分界线呢?
引力分界线的定义:在两个近邻天体的空间内,若质量物体能分别绕行两个共核系核心公转,且其轨道上的任意时刻分别满足两个共核系的共核常量为恒值,那么这些轨迹点的集合,就叫做两个近邻天体的引力分界线.
例如,把地球和木星看成近邻天体,下面一步步的来推导和计算木星与地球的引力界分界线:
地月系共核常量和木卫系共核常量值分别是:
(2.1.1)
那么,木星与地球两个近邻天体的引力分界线上的所有轨迹点,其速度的平方分别与两个共核系距离的乘积,都将分别等于两个共核系的共核常量
为此,选定地球和木星都处于近日点时,这之间有一个点,该位置点的卫星公转速度能同时满足地球和木星的共核常量恒等,此时,该点的公转速度就叫做邻近天体引力分界线上轨迹点的公转速度。
现在假定一艘从地球出发的飞船飞向木星(不具有第三宇宙速度),根据上面的结论,当飞船抵达地球和木星的引力分界线时,因为相对两个共核系的公转速度是相等的,而木星和地球的共核常量比是:
(2.1.2)
这表示,地球和木星引力分界线的任意轨迹点相对两个共核系核心,其距离之比等于共核常量之比.
地球与木星均处于近日点时,两天体距离分别是它们的近日点的距离差,即:
(2.1.3)
此时,引力分界线与地心的距离就是:
(2.1.4)
那么,相对地月共核系,该位置点的惯性公转速度就是:
(2.1.5)
同时,此引力分界线与木星的距离是:
(2.1.6)
那么,相对木卫共核系,该位置点的惯性公转速度是:
(2.1.7)
这表示地球与木星在近日点时引力分界点的卫星公转速度是:
(2.1.8)
这就是地球和木星在引力分界线上一个轨迹点的相等的卫星公转速度。
2.2引力捕捉原理与计算仍然以地球和木星为近邻天体为例来分析,它们近点的引力分界线上的公转速度是0.463km/s:
那么,从地球飞向木星的飞船,在进入地木引力分界线近地点时,当具有入轨速度0.463km/s时,就可以实现在引力分界线上脱离地月系而绕木星公转,即被木星捕捉成为木星的卫星。
同样,木星飞向地球的宇宙飞船进入地木引力分界线,当具有0.463km/s的入轨速度时,也可以脱离木星而绕地公转,即被地球捕捉为卫星。
这实际是质量物体在引力分界线上变换核心天体而公转,从而实现共核系变换,这是引力捕捉的一种形式,本质不是引力作用,而是共核系变换。
引力分界线上的公转天体,是近邻天体外围公转速度最小,核心距离最大的公转天体。
引力捕捉还有一种形式是:
例如:在地木引力分界线上,如果质量物体的速度小于0.463km/s,那么该物体仍入轨木星将被木星捕捉,此时因速度太小满足不了木星的共核常量值,因此无法实现公转,物体只能以螺旋轨迹趋向木星核心下落,最终落入木星表面随木星自转,从此保持木卫系的地面共核常量;
同理,若入轨地球绕行,将落入地面随地球自转保持地月系共核常量,这是引力捕捉的第二种形式。
在引力捕捉的第二种形式中,若核心天体有大气层,其下落过程与大气摩擦变为流星;若无大气层就是落地陨石。
因此,对于一个核心天体的天外来客的有两种捕捉形式,第一种实现公转,而第二钟螺线下降到地面实现自转,从而完成了共核系变换。
第二种形式的引力捕捉为自由螺线轨迹运动,从初始点到地面落点中的任意轨迹点,其共核惯量始终守恒,有共核惯量守恒方程:
(d为任意轨迹点到螺线轴的距离,g为任意轨迹点的重力加速度2.2.1)
总之,在引力分界线上,近邻天体可以实现质量物体的公转变换或互为的引力捕捉,从而实现共核系变换,从而变换共核常量并始终保持新的共核系的共核惯量守恒。
以共核地球月系为例,各个邻近天体的引力分界线参数计算列表:(2-1-1)
图表(2-1-1)地球近邻天体的轨道分界线的距离和速度表
为了更明确分析引力分界线,图表(2-1-2)列出了太阳系内各天体与太阳之间的引力分界线的相关参数:
图表(2-1-2)太阳共核系与行星共核系的引力分界线
在图表(2-1-2)中,月球可以看成是太阳系的行星,因为月球绕地球公转的同时绕日公转,假定月球的近地点就是月球的近日点,那么月日距离就是地日距离加月地距离,因此可以计算月日之间的引力分界线,可以计算得到其引力分界线上该位置点公转速度约是29.994km/s.
在图表(2-1-2)中看到,日月引力分界线与月心的距离只有月5.54km,这表示引力分界线居于月球实体内部,即月球大部分实体居于日月引力分界线上,实际上已能被太阳引力捕捉;同样情况的有水星、金星、地球和火星,这些星体与太阳的引力分界线均在其实体内。
而木星和木星外行星与太阳引力分界线均在实体外,这表示,以木星为界,木星及木星外行星的实体都处于太阳引力分界线外,太阳引力对其实体部分不能实现引力捕捉.
在引力分界线上,要实现共核系变换的公转运动,或其它形式的引力捕捉都需要外力作用,即在动力作用下在邻近天体引力分界线内绕行才能实现引力捕捉,这不是自发的自由引力捕捉。
对于不受外力作用下的共核系变换、引力捕捉和弹弓效应能否实现?这将涉及到径量守恒定律,由于篇幅较长,在下一节分述自由的引力捕捉和弹弓效应的诠释和计算。
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