Quỹ đạo

Article

May 22, 2022

Trong vật lý, quỹ đạo là đường cong theo sau của một vật thể xung quanh một vật thể trong không gian do lực hấp dẫn tác dụng bởi nó, ví dụ quỹ đạo của một hành tinh xung quanh tâm của một hệ sao, chẳng hạn như hệ mặt trời. Quỹ đạo của các hành tinh thường là hình elip. Sự hiểu biết hiện tại về cơ học của chuyển động quỹ đạo dựa trên lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, lý thuyết giải thích lực hấp dẫn là do độ cong của không-thời gian, với các quỹ đạo tuân theo đường trắc địa. Để dễ tính toán, thuyết tương đối thường gần đúng với định luật vạn vật hấp dẫn, dựa trên định luật Kepler liên quan đến chuyển động của các hành tinh.

Lịch sử

Trong lịch sử, chuyển động biểu kiến ​​của các hành tinh lần đầu tiên được giải thích về mặt hình học (không liên quan đến lực hấp dẫn) dưới dạng chu kỳ, tức là tổng hợp của nhiều chuyển động tròn. Lý thuyết này dự đoán đường đi của các hành tinh khá chính xác, cho đến khi John Kepler chứng minh rằng chuyển động của các hành tinh thực sự là hình elip. Trong mô hình địa tâm của hệ mặt trời, các thiên cầu được sử dụng để giải thích chuyển động biểu kiến ​​của các hành tinh trên bầu trời hình cầu hoặc vòng hoàn hảo. Sau khi chuyển động của các hành tinh được đo chính xác hơn, các cơ chế lý thuyết như biến thiên và chu kỳ thiên thể phải được thêm vào. Mặc dù mô hình này có thể dự đoán chính xác vị trí của các hành tinh trên bầu trời, nhưng theo thời gian, nó ngày càng cần nhiều chu kỳ sử thi hơn, khiến nó ngày càng trở nên cồng kềnh hơn. Cơ sở cho sự hiểu biết hiện đại về quỹ đạo lần đầu tiên được xây dựng bởi Kepler, kết quả của ông được tóm tắt trong ba định luật chuyển động của hành tinh. Đầu tiên, ông phát hiện ra rằng quỹ đạo của các hành tinh trong hệ Mặt trời của chúng ta là hình elip, không phải hình tròn (hoặc hình chu kỳ) như người ta tin trước đây, và Mặt trời không nằm ở trung tâm của quỹ đạo, mà nằm ở một trong hai trọng điểm. Thứ hai, ông phát hiện ra rằng tốc độ quỹ đạo của mỗi hành tinh không phải là không đổi mà phụ thuộc vào khoảng cách của nó với Mặt trời. Thứ ba, Kepler tìm thấy mối quan hệ chung giữa các đặc tính quỹ đạo của tất cả các hành tinh quay quanh Mặt trời. Đối với các hành tinh, các khối lập phương khoảng cách của chúng từ Mặt trời tỷ lệ với bình phương của chu kỳ quỹ đạo của chúng. Ví dụ, sao Mộc và sao Kim cách Mặt trời khoảng 5,2 và 0,723 ua, chu kỳ quỹ đạo của chúng là khoảng 11,86 và 0,615 năm. Tỷ lệ tương ứng được đưa ra bởi thực tế là tỷ lệ của sao Mộc, 5,2³ / 11,86², thực tế bằng tỷ lệ của sao Kim, 0,723³ / 0,615², phù hợp với mối quan hệ. Isaac Newton đã chỉ ra rằng các định luật Kepler có thể suy ra từ lý thuyết vạn vật hấp dẫn của ông và nói chung, quỹ đạo của các vật thể chịu tác dụng của lực hấp dẫn, giả sử có sự lan truyền tức thời của lực hấp dẫn, là các mặt cắt hình conic. Newton cũng chỉ ra rằng đối với một cặp vật thể thì kích thước của quỹ đạo tỷ lệ nghịch với khối lượng của chúng, và các vật thể đó xoay quanh khối tâm chung của chúng. Khi một vật thể có khối lượng lớn hơn nhiều so với vật thể kia, sẽ thuận tiện để tính gần đúng bằng cách coi trọng tâm trùng với tâm của vật thể có khối lượng lớn hơn. Albert Einstein đã có thể chứng minh rằng lực hấp dẫn là do độ cong của không-thời gian, làm cho giả thuyết về lực hấp dẫn lan truyền tức thời không còn cần thiết nữa. Trong lý thuyết tương đối, các quỹ đạo tuân theo các quỹ đạo trắc địa rất gần với các tính toán của Newton. Tuy nhiên, có những khác biệt có thể được sử dụng để xác định lý thuyết nào mô tả thực tế chính xác nhất. Về cơ bản tất cả các bài kiểm tra thực nghiệm cho phép phân biệt giữa các lý thuyết đồng ý với lý thuyết tương đối, nhưng sự khác biệt với cơ học Newton thường rất nhỏ (ngoại trừ trường hấp dẫn m