牛顿旋转轨道定理

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牛顿旋转轨道定理【牛顿旋转轨道定理】在经典力学里，牛顿旋转轨道定理（Newton's theorem of revolving orbits）辨明哪种有心力能够改变移动粒子的角速度，同时不影响其径向运动。艾萨克·牛顿套用这理论于分析轨道的整体旋转运动（称为拱点进动）。月球和其他行星的轨道都会展现出这种很容易观测到的旋转运动。有心力的方向永远指向一个固定点；称此点为力中心点。径向运动表示朝向或背向力中心点的运动，角运动表示垂直于径向方向的运动。
基本介绍中文名：牛顿旋转轨道定理
外文名：Newton's theorem of revolving orbits
提出者：艾萨克·牛顿
提出时间：1687年
套用学科：天文学
适用领域範围：天体物理
历史背景过去几千年来，天文学家有系统地观测天空中的星体运动，发现各种各样的恆星有规律地绕行，相对位置永远保持不变。可是，也有一些星体被观测到“漫游”于这些以恆星为背景的前方，其轨迹比较难以捉摸，大多数这种星体被称为行星。虽然它们通常沿着一条路径循着同样方向从天空的这一端移动到那一端（请参阅黄道），但是某些独特的行星有时候会短暂地逆转其移动方向，显示出逆行运动。为了描述这种忽前忽后的运动，阿波罗尼奥斯（西元前262年–前190年）提出均轮与本轮（deferent and epicycle）的概念。按照这概念，行星的本身绕行的轨迹为一个圆圈，而这个圆圈的圆心又循着另一个圆圈的轨迹绕行；如此这般一个搭着一个，就像儿童乐园里的咖啡杯游戏一样。任意轨道可以用足够数量、仔细设定的本轮来模拟，因为这方法对应于现代的傅立叶变换。大约350年后，托勒密编纂出《天文学大成》。在这本书里，他发展出来的系统能够比美那时代最準确的天文观测。托勒密採用亚里斯多德的地心学说来解释自己发展出来的系统。地心学说强调行星只能运行于以地球为圆心的同心圆球面。之后的一千多年，学术界公认这是最正确的宇宙模型。

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图1.从地球观看到的火星的逆行运动图案在16世纪，由于天文学家第谷·布拉赫和物理学家约翰内斯·克卜勒的共同努力，研究出许多关于行星运动的科学理论。经过多年披星戴月、不眠不休地细心观测，第谷获得许多非常準确的行星运动数据。第谷慷慨无私地将这些数据託付给克卜勒，使他能够专心研究这些数据，因而推论出关于行星运动的克卜勒定律。根据这定律，在太阳系里，各个行星绕着太阳（不是地球）公转；这公转轨道的形状是椭圆形，而不是本轮形。克卜勒第二定律和第三定律更给出具体的预测数值：在相等时间内，太阳和公转中的行星的连线所扫过的面积都是相等的（称此连线为行星的连心线）；绕着太阳的各个行星，其公转周期的平方与其椭圆轨道的半长轴的立方成正比。后来，更準确的观测又显示出，由于拱点进动，椭圆的长轴也会随着时间演进而缓慢地旋转。轨道近拱点和远拱点分别是行星的公转轨道离椭圆焦点（力中心点）最近或最远的位置，又共称为拱点。对于绕着太阳的行星的公转轨道，近日点和远日点都是拱点。