如果人類用剛體做成乙個圍繞地球的圈,會怎麼樣?

時間 2021-06-08 00:46:21

1樓:中科院物理所

為了簡單起見,我們把地球近似看成乙個完美的均勻球體,那麼其在球體外部產生的引力場可以等效地視作在球心處同等質量的質點產生的引力場。故而如果圓環的圓心與地球的球心重合的話,可以很容易地知道圓環將處於平衡狀態(如圖1所示)。

圖1,圓環受到各個方向的引力相互抵消

我們也可以分析一下該平衡位置是否穩定,為了簡單起見我們可以先考慮幾個特殊方向的擾動。最簡單的情況是圓環沿著垂直其平面的方向移動,如圖2所示,

圖2圓環受到的引力的合力方向與圓環移動的方向相反,因而地球的引力會把偏離平衡位置的圓環給拉回來。

另乙個特殊的方向是圓環在其所在的平面上移動,如圖3所示,

圖3我們可以得到圓環所受的合力為:

其中 是圓環的線密度,這個積分沒法用初等函式表示出來,不過通過數值計算可以發現當 時, 是大於零的,也就是說,地球的引力將促進圓環正向移動,因此圓環在平面上是不穩定的。

另一方面我們也可以數值計算圓環在不同位置處的引力勢能,我們用 表示圓環圓心在平面上的偏移量,用 表示其在垂直平面方向上的偏移量,那麼圓環具有的引力勢能大致長成圖4的樣子,

圖4,縱座標表示引力勢能

於是我們可以很容易地發現該勢能曲面呈現馬鞍的形狀,故而圓環在平衡位置是不能保持穩定的。

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