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旋转系中的陀螺运动及科利奥里力--黄白交点西移与春分点西移新解

投稿时间:2020-08-26 16:08 投稿人:武茂灿 【字号: 访问量:

1.0旋转系中的陀螺运动

1.1宇宙是一个多层次的旋转系。人造地球卫星,宇宙飞船等是最低层次的旋转系。月球绕地球旋转,地球绕太阳旋转又是较高层次的旋转系。太阳绕轨道中心旋转是更高层次的旋转系,等等。

1.2. 2013年6月20日航天员王亚平在天宫一号上做了许多科学实验,其中一项是陀螺实验。实验显示,转动的陀螺轴向在天宫一号内始终保持不变。我们知道,天宫一号是一个绕地运行的飞行器,与地球组成一个旋转系。其运行方向时刻在变化着。在天宫一号内运转的陀螺,其轴向相对天宫一号的外空间也应时刻变化着。通过这个太空实验可以得出以下结论。

结论1:太空中,在旋转系中旋转的陀螺轴向始终保持不变,相对旋转系以外的空间,陀螺轴向随旋转系的变化而变化,并保持同步。

1.3白道面旋转系及其特点

地球及月球绕其公共质心旋转,月球的运行轨道称为白道。地球中心绕地月质心亦有自己的运行轨道,称之为地球绕质心轨道。白道与地球绕质心轨道同在白道面内,组成白道面旋转系,白道面旋转系绕太阳旋转。在这个旋转系中存在两个旋转的“陀螺”,一个是月球,一个是地球。尽管它们的轴向指向不同,但各自的指向相对白道面旋转系始终保持不变。

根据结论1,可以得出两个推论。

推论1:月球轨道与黄道的两个交点即升交点和降交点在白道上的位置始终保持不变,“两至”点在白道上的位置亦始终保持不变。

推论2:交点月是月球和地球绕其公共质心旋转的真正周期,也是月球绕地球旋转的真正周期。

1.4黄道面旋转系及其特点

地月系统与太阳绕其公共质心旋转,地月质心的运行轨迹为黄道,地月系统与太阳组成黄道面旋转系。黄道面惯性系主要有两个“陀螺”,一个是太阳,一个是地月系统。地月系统首先参与白道面旋转系的运行,白道面旋转系又绕太阳旋转。黄道就是地月系统绕太阳的运行轨道。根据结论1,可以得出两个推论。

推论3:黄道与天赤道的两个交点即春分点和秋分点在黄道上的位置始终不变,两至点在黄道上的位置始终保持不变。

推论4:回归年是太阳和地月系统绕其公共质心旋转的真正周期,也是地球绕太阳旋转的真正周期。

2.0天体运行中的科利奥里力

2.1傅科摆摆面转动

“傅科(J.B.L.Foucault)是法国物理学家,1851年他在巴黎万圣祠(Pantheon,Paris)的大厅里,用67米长的绳索悬吊起一个28千克的重锤,让重锤长时间的自由摆动。仔细观察,发现摆动的方向在缓缓改变。向公众证明地球自转。…由于地球自转偏向力,运动着的摆有向右(南半球向左)偏转的现象,摆动平面就缓缓转动起来。”【1】22著名傅科摆实验证明了地球的自转,揭示了由地球自转而产生的自转偏向力,“地球自转偏向力也叫科利奥里力”【1】21。

2.2月球绕地旋转中受科利奧里力

2.2.1在地月系统绕日运行中,如果单独看月球的运动,它就是一个在旋转体系中运行的天体。月球一方面与地球一起绕日运行外,还绕地旋转。单独看月球,它就是一个在旋转 系中运动的天体。当月球从望点向朔点运行时,其绕太阳运行的线速度是逐渐减小。这与地球北半球从南向北运动的物体极其相似,其必然受到一个科利奧里力。当月球从朔点向望点运行时,由于绕日运行的线速度变大,同样会受到科利奧里力。

2.2.2参照傅科摆实验结果,仔细分析黄白交点在黄道上的移动规律,发现二者具有异曲同工之妙。由此可得出

结论2:地月系统绕日旋转,月球受科利奥里力,白道面会在黄道面上向西扭转。

2.3地球在黄道上运行受科利奧里力

2.3.1“银河系中至少有一半甚至多达80%的恒星是双星或者聚星系统——两颗或者更多恒星因引力束缚在一起并相互绕转——的成员。”【2】由此可以说,太阳并不是直接绕银河系中心旋转,而是在银河系内绕某中心旋转的同时又随该中心绕银河系旋转。太阳在天球上也有自己的运行轨道以及轨道中心。

2.3.2太阳带着太阳系绕其轨道中心旋转,构成一个更大的旋转系。地球的绕日运动可看成是在旋转体系中运行的天体,其必然受到科利奧里力。其机理与月球的情况完全相同。由此得出

结论3:太阳系绕轨道中心旋转,地球受科里奥利力,黄道面会在太阳轨道面上向西扭转。

3.0黄白交点西移

3.1通过天宫一号陀螺实验及傅科摆实验的分析,月球绕地运行中受到科利奧里力,白道面相对黄道面扭转,则使黄白交点在黄道上西移。

3.2白道面绕黄道面扭转,使月亮赤纬角发生周期性变化。月亮赤纬角主要由两部分组成,一是地球绕太阳旋转的黄赤交角,二是月球绕地月质心旋转的黄白交角。三者具有如下关系:

           月亮赤纬角φ=ε﹢θcosλ             (1)

           ε—黄赤交角   θ—黄白交角   λ―  黄白交点的黄经

月亮赤纬角的变化证明了黄白交点西移是白道面相对黄道面扭转.

 3.3黄白交点移动周期为18.6年。在一个回归年内,黄白交点移动的同时,地月质心会绕日旋转一圈。在天球上,则是地月质心绕自己的平均点旋转一圈,这使白道轴与黄轴的交角亦即黄白交角发生变化,范围 4°57′~5°19′。变化周期是交点年。

3.4地轴在绕地月质心旋转的过程中,因白道面扭转,自转轴轴向相对外空间不断变化,且与白道面的扭转同步。章动是地球自转轴与黄白交点西移相对应且同步变化的一种空间运动。

3.5恒星月不是月球绕地运行的真正周期。月球在白道上运行,月球绕地的真正周期是交点月。“日月交食周期S实际上既等于朔望月的整数倍又等于交点月的整数倍,即S=mA=nB”。【3】仅此就可证明交点月是月球绕地球旋转的真正周期。

4.0春分点西移

4.1地球跟随太阳在更大的旋转体系中绕黄道运动,运动中必然受到科利奥里力,致使黄道面扭转,春分点西移。

4.2从文献【3】321提供的“224颗恒星4000年位置表”数据整理得出,自公元前2000年到2000年的4000年间,所有恒星的赤经都增加,绝大多数增加50到60度左右。赤纬的变化是一半增加,一半减少,递增递减。就整体而言,北天极沿2000年赤经约25度的径向并向25度赤道点移动20多度。

4.3本文又从恒星表的数据计算了47颗恒星的4000年的黄纬变化,尽管黄纬的变化很小,只有个别的大于1°(如牧夫α,中名大角)外,基本都小于1°。黄纬也是有增有减,且与赤纬的变化情况相吻合。这个结果证明了春分点西移不仅使北天极在天球上移动,而且黄极亦在天球上移动,二者同步绕太阳轨道面轴旋转。设黄极与太阳轨道面轴的夹角为υ,北天极绕太阳轨道中心轴的夹角为ψ,黄赤夹角为ε,则有

ψ=υ﹢ε     (2)

4.4在文献【1】57 月球上的星空一节中,有一个“月面天球上的赤道、白道和黄道”的插图(图略)给笔者很大启发。图中月球天赤道、白道和黄道相交于一点。太阳带着地球在太空中运转,黄道受科利奥里力应在太阳轨道上扭转,春分点不仅是黄道与天赤道的交点,而且也是与太阳运行轨道的交点,即天赤道、黄道和太阳运行轨道相交于春分点。这与月球星空的情形一模一样。这就证明了春分点和秋分点不仅是黄道面相对赤道面的升交点和降交点,而且也是黄道面相对太阳轨道面的升交点和降交点。由此得出

推论5:春分点在天球上的移动轨迹就是太阳在天球上的运行轨道。

参考文献

【1】 苏宜.天文学新概论-4版 .北京:科学出版社,2009;22

【2】 特伦斯?迪金森著.夜观星空.谢懿译.北京:北京科学技术出版社,2012:80

【3】 吴守贤 全和钧.中国古代天体测量学及天文仪器.北京:中国科学技术出版社,2013;291