问题

地球绕太阳公转为什么不是立体轨道?

回答
很多人会觉得,既然地球绕着太阳转,那总该像个球在轨道上滚来滚去,形成一个立体的运动轨迹吧?然而,事实并非如此。地球的轨道,虽然我们常说它是“椭圆”,但如果更准确地描述,它其实更像是在一个近乎平面的画板上,沿着一条稍稍变形的圆圈画着。

要理解这一点,我们需要先搞清楚“立体轨道”和“平面轨道”的区别。如果我们想象一个人在三维空间里绕着一个点运动,那么他可以从上方、下方、侧面,以各种角度围绕这个点转圈。这就好比你在房间里,围绕着桌子走,你可以站着走,也可以跳起来,甚至爬着走,你总是在三维空间的某个轨迹上运动。

但地球绕太阳公转,情况就不是这样了。你可以把太阳想象成一个巨大的固定参照物,而地球就像是在它周围滑动的一个小点。虽然地球在运动,但它并没有在垂直于太阳“地面”的方向上有大幅度的、独立的变化。

这主要归结于万有引力。太阳的质量巨大无比,它对地球产生的引力,基本上是把地球“吸”向太阳的。而地球本身也带着一个速度,这个速度让它不会直接“掉”到太阳上,而是围绕着太阳“绕圈”。这个“绕圈”的力学关系,很自然地就形成了一个相对固定的平面。

你可以这样想象:如果宇宙是一张巨大的、被太阳这张巨大质量“压”弯的床垫,那么地球就像是在这张床垫上沿着一个相对固定的“轨道”滚动。虽然这张床垫本身是三维的,但地球滚动的轨迹,却几乎被限制在了这张床垫的一个特定“曲面”上。

我们说地球轨道是“椭圆”,是说它不是一个完美的圆。有时候离太阳近一点(近日点),有时候远一点(远日点)。但这只是在轨道平面上的前后伸缩,就像你沿着一条线画一个稍微拉长的圆,而不是在三维空间里扭来扭去。

当然,说“不是立体轨道”并不是说它绝对就完全在二维平面上。实际上,宇宙本身是三维的,太阳也在运动,地球也在绕着自己的轴线自转,以及地轴本身还有一个缓慢的倾斜(岁差)。这些因素加起来,会让地球的轨道轨迹在非常非常微小的程度上,有一些三维的空间上的起伏。

但从宏观和主要运动来看,地球的公转轨道,大部分的运动都集中在一个相对扁平的平面内。这个平面,我们称之为“黄道面”。地球之所以在这个平面上运动,是因为在太阳系形成初期,构成太阳系天体的尘埃和气体,在引力作用下,大部分物质都聚集在这个扁平的旋转盘上。而地球,就是在这个盘里形成的,并且继承了这种整体的旋转运动。

所以,尽管我们生活在三维空间里,感受不到这个“平面”的存在,但从物理学的角度看,地球绕太阳的公转,主要是在一个近乎稳定的平面上进行的,而不是一个充满立体感的、三维的运动轨迹。它更像是在一个巨大的、宇宙级别的“转盘”边缘,沿着一条稍微不规则的圆形路线,规律地滑行。

网友意见

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题主显然是想问,地球相对于太阳运行的轨道为什么处于同一平面。

这个好回答。看

@左左

的回答就是。

题主也可能是想问地球的轨道为什么跟其他行星的轨道一样,都在黄道面上?

这个回答见

行星的公转为什么会产生共面性?
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题主请先伸出手做个赞。

观察你点赞的手,想象弯起来的指头就是地球沿着轨道运动的方向。

一旦接受这样的设定了呢,那么翘起的大拇指就将是地球沿着轨道运动的角动量方向。

因为我们定义角动量方向要垂直于速度方向又要垂直于地球和太阳的连线方向。

角动量是什么?

角动量就是转动的惯性。一个陀螺转得越快角动量就越大;两个陀螺转得一样快,铁陀螺的角动量比木陀螺的角动量大。

引力是一种有心力,就是说太阳对地球的引力只能在太阳和地球的连线上,这很好理解撒。

有心力呢,角动量是不变的。因为力的方向都指向一个中心(太阳),改变不了转速。你想一个陀螺你不好好用鞭子抽,老拿根针戳它中间,它的转速改变么?

现在再观察你点赞的手。角动量不变,大拇指就不准动了。

记住轨道运动的速度方向以及轨道上任何一点到太阳的连线都要跟大拇指垂直。

然后你再感受下轨道处于一个平面到底是不是巧合。

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如果是立体轨道的话那地球除了受太阳的万有引力外肯定还要受其他力的作用,而且那个力是交叉于现在的运行轨道平面的。

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