天体运动 · 圆轨道

圆轨道参数联动台

把轨道半径拉远一点:卫星并不是“飞得更快”,而是在万有引力恰好充当向心力时,换上一组彼此牵连的速度、周期和加速度。

卫星到地心的距离为 4.0R 箭头:万有引力
地球、圆轨道卫星和指向地心的万有引力 拖动半径滑块时,卫星所在圆轨道和指向地心的力箭头同步改变。 r = 4.0R 地球 半径 R 万有引力 = 向心力 卫星 圆轨道上:万有引力始终指向地心

先动手调半径

这里的 r 是“卫星到地心的距离”,不是卫星离地面的高度。用方向键也能微调滑块。

圆轨道条件:F万 = mv²/r。万有引力提供向心力;半径一变,能保持圆轨道的速度也必须跟着变。

下方均以 r = 4R 时的量为 1 倍作比较。

联动结果

半径变大后,三个量各走向哪里?

圆轨道速度 v

1.00 倍

作为比较基准

关系:v ∝ 1/√r

运行周期 T

1.00 倍

作为比较基准

关系:T ∝ r3/2

向心加速度 a

1.00 倍

作为比较基准

关系:a ∝ 1/r2

别把“远”理解成“更快”

你可能会想:轨道变大一圈,卫星不是要走更远的路吗,速度应该更大吧?注意,圆轨道卫星的速度不是随便选的。r 变大时,万有引力变小,能使卫星拐出圆弧的向心作用也变弱,所以圆轨道速度反而减小;但路程增加得更明显,周期仍然变大。

停一下,自己判断

如果轨道半径从 4R 调到 8R,速度、周期、向心加速度分别是原来的多少倍?先别急着看答案。

速度约为 0.71 倍,周期约为 2.83 倍,向心加速度为 0.25 倍。容易错在把“半径加倍”误认为三个量都简单地加倍或减半;它们与 r 的关系并不相同。