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万有引力定律怎么推导(万有引力定律推导过程怎么解析)

来源:原点资讯(m.360kss.com)时间:2023-11-26 19:57:33作者:YD166手机阅读>>

牛顿苹果是一个漂亮的故事,我们不必去争论故事的真假,因为这个故事的意义,已经超越了故事本身。


万有引力的历史

开普勒定律,在1618年由德国科学家开普勒提出,开普勒第一定律就指出了行星运行的轨道为椭圆;万有引力定律,在1687年,由牛顿于《自然哲学的数学原理》上发表。

万有引力定律怎么推导,万有引力定律推导过程怎么解析(1)

两者是统一的,开普勒定律是万有引力的表象,意味着我们可以由万有引力定律,去推导开普勒三大定律。

在历史上,最先有万有引力和距离平方成反比想法的,是英国科学家胡克,就是那个对牛顿来说嫉恶如仇的胡克。


胡克是牛顿的领导(英国皇家学会会长),胡克在数学上远远不及牛顿,虽然他有了万有引力的想法,但是仅限于想法而已。

胡克就失败在这里,不然发现万有引力的皇冠,就是他的了!

万有引力定律怎么推导,万有引力定律推导过程怎么解析(2)

胡克还是英国皇家学会会长时,就曾请教过牛顿,问牛顿是否能通过“引力和距离平方成反比”,来推导行星椭圆运动规律,牛顿给胡克的回答是肯定的,但是并没有告诉胡克具体的推导过程。

牛顿大神利用自创的微积分,加上天才的头脑,推导行星椭圆轨道,简直就是易如反掌。

以至于后来牛顿和胡克,因为“万有引力第一发现者”而结仇,当牛顿坐上英国皇家学会会长的位置后,恨不得把胡克打入“十八层地狱”。


万有引力定律推导椭圆轨道

我们借助虚数的性质,会更容易些,但是推导过程并不简单。我们把万有引力定律,表示为矢量形式:

万有引力定律怎么推导,万有引力定律推导过程怎么解析(3)

其中(-e^iθ)借助欧拉公式后,表示的就是单位大小的矢量因子,给出了万有引力的方向,同时与万有引力结合参与运算;至于负号,是因为θ=0时,万有引力方向指向原点;并利用牛二定律,得到加速度a。


然后,我们需要考察速度和加速度极坐标的微分形式:

万有引力定律怎么推导,万有引力定律推导过程怎么解析(4)

然后两个加速度公式,得到微分方程:

万有引力定律怎么推导,万有引力定律推导过程怎么解析(5)

求解该微分方程,就可以得到轨道方程的解(详细推导过程,我悟空问答中有):

万有引力定律怎么推导,万有引力定律推导过程怎么解析(6)

该轨道方程,正是圆锥曲线的标准方程,其中e为偏心率!

(1)当e=0时,曲线为正圆;

(2)当0<e<1时,曲线为极点在下焦点的椭圆;

(3)当e=1时,曲线为开口向上的抛物线;

(4)当e>1时,曲线为极点在上焦点的双曲线;

至于偏心率实际为多少,取决于c1、C和GM,为大天体的引力场分布,和小物体的初始状态;sinθ=-1为近日点,sinθ=1为远日点。


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