萬有引力的意思 牛頓是如何匯出萬有引力公式的

2021-10-14 13:57:53 字數 3195 閱讀 5909

最近在看彭桓武先生的《理論物理基礎》時,第一章就是談牛頓力學,先生在給出牛頓運動定律後,先是列出克卜勒三大定律,再直截說到

根據這種情況,利用運動方程,牛頓先計算每個行星所受的力如下:近似認為太陽不動,從克卜勒前兩定律算出行星受力為

我:???,不愧是「基礎」(抱拳

此外,還驚異於大物老師居然沒講過這麼有意思的科學史事,遂上知乎搜尋,發現了這個回答:牛頓是怎麼推導出萬有引力的? - 姜小白71的回答

先求出速度表示,再以時間求導即得加速度

設在時刻

,質點位於點

,經過時間

後到達點

質點在此時間內的位移為

,所以有

先解決兩個基矢對時間的導數

顯然有

和 ,所以

且 現在可以求加速度:

行星繞太陽運動所受的力始終通過太陽中心(近似地),此即為有心力。在有心力的作用下,行星在通過太陽中心的平面上沿一定軌道周而復始地運動著

在以力心為極點的極座標系中,有心力始終是徑向的,結合牛頓第二定律,我們很容易得到研究有心力問題的兩個基本方程式:

要想弄明白有心力作用下質點的軌道,就意味著得求出極徑和極角對時間的依賴關係(即

與 )或更幸運地直接求得

,在這裡我們謀求後者

觀察式(4)容易發現

實際上也就是動量矩守恆原理,記

並作變換

有接下來得將

用 來表示

代入式(3)即得binet方程:

這樣我們就得到了(極座標下的)軌道方程與有心力的直接關係,已知一方便可求出另一方

在第谷(tycho brahe)遺留下的大量精確天文觀測資料的基礎上,他的助手克卜勒(johannes kepler)分析總結出了幾條簡潔的規律(詳見參考資料3 p314-319),克卜勒獲此結果欣喜若狂,他不加掩飾地說道:

「十六年了,我立志要探索一件事,所以我和第谷結合起來……我終於走向光明,認識到的真理遠超出我最熱切的期望。如今木已成舟,書已完稿。至於是否現在就有讀者,抑或將留待後世?正像上帝已等了觀察者六千多年那樣,我也許要整整等上乙個世紀才會有讀者。對此我毫不在意。」
這些規律總結起來就是著名的克卜勒三大定律:

每個行星在以太陽為乙個焦點的橢圓軌道上執行;

對每個行星而言,從太陽到該行星的矢徑所掃過的面積與經過的時間成正比;

比較不同行星的運動,該行星運動週期的平方與該行星軌道的半長軸的立方成正比(這比值對所有太陽系行星都是相同的)。

第一定律指出了行星運動的軌道是橢圓軌道(這是更精確的天文觀測資料的直接結果,也表明了哥白尼日爾爾爾爾心說中的行星圓軌道模型是粗糙的)

第二定律實際上是面積速度為定常數,即

,也就是動量矩守恆原理,意味著行星所受的力是有心力,且太陽為力心(此處並不嚴謹,但無傷大雅)

所以我們就知道了行星是在以太陽為力心(焦點)的橢圓軌道上運動,運動方程(極座標下)是

(式中的

為半通徑,

為離心率),代入binet方程化簡即得

其實到這裡,平方反比的規律已經推出了,但是考慮到各行星的

、 並不相同,此式仍需進一步化簡。引入乙個運動關係

而 ,得

與半通徑

代入式(9)化簡有

至此才得到了篇首的公式(不過此式為代數式而非向量式),結合第三定律,我們可以知道:各個行星所受的吸引力反比於各該行星距太陽距離的平方,而正比於各該行星的質量。

從作用的對稱性考慮,牛頓揣測式(10)中的比例係數可能與太陽質量成正比,因而大膽假設任意兩質點間都有引力作用(下面就是對該假設的兩個檢驗)

即在位置

的質量為

的質點受在位置

質量為

的質點的引力為

對應的,在位置

的質量為

的質點受在位置

質量為

的質點的引力為

式中力與兩質點的質量乘積成正比,與其間距離的平方成反比,而普適常量

稱為萬有引力常量。由牛頓第二定律,

。若 代表太陽的質量,

代表地球的質量,代入

其中 ;

其中 ,所以

,故 ,這與前面所作的太陽不動的近似相符。

更進一步地,近似地球為球形,其質量分布為球對稱,則根據萬有引力公式,將地球劃分為無數質點,用積分算出地面上任何物體(譬如蘋果樹上某蘋果)受整個地球物質的吸引力為

其結果指向地心,與地面上物體質量

成正比,與地心距離亦即地球半徑

的平方成反比.與地面的重力比較得

,代入重力加速度

和地球半徑 有與

符合至此,地球繞太陽、月亮繞地球和蘋果落地都是萬有引力的表現(從蘋果落地到月地檢驗,討論的是地球的引力;行星運動問題討論的是太陽的引力),牛頓在2023年到2023年的20年裡,把引力的思想不斷擴大,最後概括出「萬有引力」的概念來:

……如果由實驗和天文學觀測,普遍顯示出地球周圍的一切天體被地球重力所吸引,並且其重力與它們各自含有的物質之量成正比,則月球同樣按照物質之量被地球重力所吸引。另一方面,它顯示出,我們的海洋被月球重力所吸引;並且一切行星相互被重力所吸引,彗星同樣被太陽的重力所吸引。由於這個規則,我們必須普遍地承認,一切物體,不論是什麼,都被賦予了相互引力的原理。因為根據這些表象所得出的物體的萬有引力的論證,要比它們的不可入性的論證有力得多……

——《自然哲學的數學原理》

值得一提的是,以上並不完全是牛頓解決萬有引力問題的具體過程(譬如真正的地月檢驗並非如以上所述,牛頓在其中所使用到的各種大量幾何知識晦澀而弄懂),所以本文只是如 @姜小白71 在回答中所說的「還原成現代數學語言」,而非「**牛頓的原始證明過程」,希望能對讀者有所啟發。

1. 理論物理基礎/彭桓武,徐錫申 編著.——北京:北京大學出版社

2. 力學(上冊)/梁崑淼 著,——北京:高等教育出版社

3. 新概念物理教程-力學/趙凱華,羅蔚茵 著. 第2版. ——北京:高等教育出版社

4. 牛頓是怎麼推導出萬有引力的? - 姜小白71的回答

萬有引力和做功。

萬有引力就是任何兩個有質量的物體之間都具有引力作用。雖然空間的所有物體之間都具有萬有引力,但它們整個整體處在平衡狀態,所以引力沒有作功,即沒有能量轉化,也就不消耗能量。注意 只有作功或熱傳遞伴隨能量的變化。力的產生不消耗能量 力是不依賴能量存在的,比如說舉塊石頭只要沒動就沒有能量轉化,但還是用了力,...

萬有引力之同行相吸

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