假設有兩顆地球大小的行星緊挨在一起,那么它的重力分布會是怎么樣的?這個問題當中給出了一個條件,就是兩個行星的大小(體積)相同,卻沒有限定質量相同。所以分成質量相同和不同兩種情況來討論,并且我們要假設這兩個行星都是質量分布均勻的規則球體。
一、第一種情況:兩個行星的質量相同,并且相對靜止,也就是兩行星處于慣性系中。這是一種較為理想的情況。如圖所示,此時M1=M2。
(1)M1和M2連線的中軸線上的重力場分布情況。
我們在M1和M2中心連線的中心法線上放置一個質量為m的物體,且m處于M1和M2所形成的引力場中,那么m受到M1和M2的萬有引力大小分別為G1和G2,此時在數值上有G1=G2,根據平行四邊形定則對G1和G2進行矢量合成得到F,F必定在M1和M2中心連線的法線方向,且經過M1和M2連線的中點,如下圖所示。
那么此時M1和M2兩個行星組成的系統所形成的引力在二者連線的中軸線上疊加后指向二者連線的中點,就是圖中F的方向。
(2)兩行星中心連線的法線以外的重力場分布情況。
我們同樣可以按照(1)方法對物體受到兩行星的重力運用平行四邊法則和微積分方法矢量合成。得到物體在空間每個點的重力方向,并繪制成積分曲線,如下圖所示。這就是重力分布圖。
圖中箭頭方向表示物體在該處時受到的重力方向,線條越密集的地方表示在該處的受到重力越大。
二、第二種情況:兩個行星的質量不同,并且相對靜止,兩行星處于慣性系中。
這時也可以采用第一種情況的分析方法。但結論是兩行星連線的幾何中軸線上的重力方向將不再與中軸線重合。中軸線以外的重力分布與第一種情況的(2)也略有差異。感興趣的話,可以自行嘗試計算和繪制一下。
以上兩種情況都是基于兩行星都是質量分布均勻的規則球體的情況下討論的,而在現實的環境中,地球并不是一個真正的球體,其他行星亦是如此。所以在現實的宇宙環境中,情況要復雜得多,必須要通過現代科技手段,如計算機模擬技術來進行擬合和計算得到重力分布圖。
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