用角动能守恒定律对天体运动现象的解释

 陈军                                                    

                        安徽省滁州市沙河中学239060

                        E-mail:chenjun621029@163.com

摘要：  施力耗能是基本常识，以此为研究的基本点和出发点，以能量转化和守恒定律为依据，提出了一种耗散功的概念，推导出计算式，推演出力的热效应、角动能定理以及角动能守恒定律，很好地解释了太阳系天体运动现象，也发现了个别天体不和谐的现象，分析了不和谐的原因，明确的提出物体不自转的标准，从而将“天”上的物体和地上的物体不自转现象进行了统一。

 关键词：力学，新功，力的热效应，角动量不守恒定律，物体不自转的标准。 

1   引言 本人从自己所熟悉的牛顿力学入手，发现机械功在度量能量转化问题上的局限性和不完备性，从而对施力耗能现象进行了研究，从猜想开始，采用了假设、等效等研究方法，从定性到定量，经历了近三年的时间，推导出耗散功的计算公式W=CF2t，这个公式是否正确？可以通过实验加以修正，问题是它对物理学有何价值和意义，对人类的生产和生活有何影响？当认清力做耗散功的实质，就是力的一种热效应Q=W=CF2t，力的热效应是自然界普遍现象的时候，开始怀疑牛顿力学的体系是否完备，经过近七年的研究，排除各种干扰，修正了动能定理，终于创建了角动能定理以及角动能守恒定律，使牛顿力学更具有普适性。

2   角动能定理和守恒定律

修正后的动能定理：F1ds- CF22dt =dE

推理：当F1=0时，则 F2=0，dE=0，物体的动能E保持不变。可称为动能守恒定律。

在动能定理的基础上，补充角动能定理：rF1ds- rCF22dt =rdE

其中的物理意义是：转动物体角动能的增加量rdE，等于物体受到合力所做的机械功矩rF1ds，与物体的反作用力所做的耗散功矩rCF22dt（形变部分发热）之差。

补充角动能守恒定律：当rF1ds=rCF22dt时，rdE=0，即角动能rE保持不变。

具体的转动要具体分析。以太阳系为例，太阳系中的大行星们就是保持角动能守恒在稳定运转，并且rE=1/2GMm=常数（守恒），rv2=GM=常数。角动能守恒的前提条件：rF1ds=rCF22dt   ，或者F1ds=CF22dt， F1是行星受到的合力，即太阳对行星的万有引力，F2是F1的反作用力，不能因为F1= F2，就将等式中的F1消去，这样做法，就失去了等式中的真实物理含义。以行星公转一周为例，设行星远日点的角动能为r1E1，近日点的角动能为r2E2，且r1E1=r2E2，因为r1>r2  ，所以E1，当行星从远日点向近日点运动时，引力F1做正功W1=F1ds，F2做耗散功（相当于负功）W2= CF22dt，行星动能增加，即W1-W2= E2- E1------（1）；当行星从近日点向远日点运动时，引力F1做负功W1负=F1ds，F2仍然做耗散功W2= CF22dt，行星动能减小，即W1负+W2= E2- E1------（2），在行星公转一周的过程中，（1）式-（2）式，得：W1  -W1负=2 W2，此式物理含义是在行星公转一周的过程中，行星受到的引力做的正功与引力做的负功之差，等于一周反作用力所做的耗散功，即F1ds=CF22dt，或者rF1ds=rCF22dt（带动性），才能使行星的角动能守恒。

从角动能定理来看：rF1ds- rCF22dt =rdE，当F1ds=0时，表示在行星公转一周的过程中，行星受到的引力做的正功与引力做的负功相等，不能误解为引力为零或者切向力为零，rCF22dt =-rdE，表示行星角动能会逐渐减小，之所以太阳系中的行星角动能守恒，是因为太阳不断对行星做功带动（引力做的正功必须要大于引力做的负功）的结果，行星绕日公转中心与太阳的质心并不重合，向心力小于等于引力，引力可以分解成向心力和切向力。推论：一切转动的物体，当没有外力做正功时，角动能会逐渐减小（天体会坠毁、电子会坠入原子核、自转的物体会停止自转）。

3   对天体公转现象的解释

3.1 带动性：只有自转的天体，才可能有围绕自己公转的行星或者卫星, 不自转的天体是不可能有自己的行星或者卫星，或者子卫星, 即使有被临时捕获的天体，运动寿命也是有限的；自转的天体的质心和引力重心都是在不断地变动的, 这是引力形变决定的；恒星是发动机，太阳只要在引力的作用下形变，形成非球对称性反冲，它就可以运动和自转，自转的天体是曲轴, 引力是连杆，行星的公转周期要大于恒星的自转周期，如果等于或者小于，都不具备角动能守恒的条件（带动性），卫星的公转周期要大于行星的自转周期，同步卫星在无动力作用下，发生再高，都是不可能做到同步的；星系是多组发动机的组合, 星系的旋转，是要有切向力带动的，每一个星系都是一部热机, 就是将内能转化为动能的机器，动能又转化成了热；一个独立的星系, 至少要有两颗恒星所组成, 在引力和斥力（恒星是球形火箭）作用下，只有形成转动力矩，才能稳定转动。

3.2 同向性：卫星的公转方向要与行星的自转方向要一致, 行星的公转方向要与恒星的自转方向要一致, 不可以逆向公转，也不能沿着南北极方向转动,如果有的话，它的运动寿命是很有限的 。     

    木星中有四颗逆向公转的卫星,  这一定是前人视运动产生的错觉, 如果是临时捕获的是可以理解的，因为，木星很大，这四颗卫星（木卫八、木卫九、木卫十一、木卫十二）都在最边缘，在观察时，很容易以内部的木卫环为参照物，在视觉上，认为它们是逆向公转的，我认为它们都是顺向公转的，且角速度、线速度（rv2=GM）都很慢，有待于进一步观察和验证。   

3.3共面性：卫星的公转轨道要在行星的赤道平面附近, 行星的公转轨道要在恒星的黄道面或者赤道平面附近。

    冥王星的轨道偏离黄道面较大，很明显是受到外面的天体的吸引导致的，这一天体或者是星系，一定不在太阳的黄道面附近。

3.4非对称性：所有公转的天体，只能做非对称性的“鸭蛋”形轨道运动,近日端是“鸭蛋”形的小头，远日端是“鸭蛋”形大头，既不能做纯圆周运动, 也不能做纯椭圆运动，要保证天体公转一周，引力所做的正功要大于引力所做的负功，才可能使它们的角动能守恒。

    rv2=GM=常数，决定了轨道的“鸭蛋”形状的对称性，但是，F1ds=CF22dt，或者rF1ds=rCF22dt，（带动性）决定了轨道的不对称性，也就是说，行星从远日点向近日点运动时，矢径r扫过的面积略小于，行星从近日点向远日点运动时，矢径r扫过的面积。对称性与不对称性，都是以公转中心为参照物的，太阳绕银河系公转，也是行星轨道不对称性的另一个原因，对行星的公转也具有带动性，所以，行星的近日点一定是在太阳与银河系中心之间的连线附近上，同理，月球的近地点一定是在地球与太阳中心之间的连线附近上。

    “鸭蛋”形的对称性轨道的极坐标方程是什么样的？我凑了一个供参考：r=asin2（θ/2）+bcos2（θ/2）,或者修正式：rn=ansin2（θ/2）+bncos2（θ/2）,a为太阳中心到近日点的距离，b为太阳中心到远日点的距离，n为修正指数。

上述四种规律性，带动性是原因，同向性、共面性、非对称性是带动性导致的必然结果。如果说，太阳系是一个“永动机”的话，也是需要消耗能量的永动机，现在只是处在相对稳定的运转阶段。

预言：逆向公转人造卫星发射再高和绕月飞船, 在无动力的作用下，运动寿命都是有限的, 运动时间，今后都是可以计算出来的（rCF2dt =rdE，F为离心力，大小约等于引力），理论值要大于实际值。

4   对天体自转现象的解释   

大行星的自转为什么很快？它们为什么不会发生，所谓的“同步自转”现象？它们有一个共同特征，就是自转的天体磁场都很强，所以，我初步认为：行星的自转，是恒星的磁场力驱动的，太阳因为自转才会有磁场，磁场并不是随着太阳的自转而旋转，所以，大行星的自转方向都是同向自转，如果太阳磁场是随着太阳的自转而旋转，大行星的自转方向都因该是反向自转。

如何通过实验来演示自转？简单做法：将一个小环形磁铁密封在塑料空心球内，放在烧杯水中漂浮，上下用磁铁固定，不让漂浮球乱动，将烧杯放在餐桌圆盘边上，让圆盘转动，在中间手拿一个磁性较强的磁铁，你就可以让漂浮球顺向或者逆向自转，就是磁场的相互作用，如果有空心磁性球体直接漂浮水中，可以通过实验来演示各种各样的自转。

金星逆向自转，这一定是一种误解， 如果是临时性的运动，是可以理解的, 金星我认为没有自转，因为每次金星与地球最近时，都是同一面向着地球（这不是什么巧合），也就是说，金星有一面始终面向太阳，只公转不自转，它不自转，是因为它的磁场很弱（真相只有一个）。

天王星因为磁轴偏离球心很大（不对称），受到太阳的转动磁力矩方向也会偏差很大，才导致它几乎躺着自转。月球以及小的卫星和小的行星是不易自转的, 原因是小的天体磁场很弱, 自身引力又小, 形状不能近似为球体, 就像" 不倒翁" 悬在太空中, 无法被磁场力驱动自转。在太阳系中，小的行星和小的卫星，由于碰撞导致的自转，会经常发生，也会经常停止自转。

宇宙中物体停止自转的标准：其几何特征是物体有一面始终面向公转中心，另一面始终背向公转中心；其物理特征是自转力矩和自转角动量（角速度）均为零，而公转角动量（角速度）不为零。“天”上的和地上的不自转物体都是如此。

月球自转与不自转是一个简单的机械运动问题, 历史上曾多次争论过,对月球自转与不自转产生分歧的根本原因，就是不清楚宇宙中物体不自转的标准到底是什么？另一个原因，可能是对刚体力学中“假平动”的认识不清楚造成的，糊里糊涂的继续错下去。

平动是物体在一条直线上的运动，物体上各点的路线都是平行的。什么是假平动呢？例如：人用手端着一碗水，在竖直平面内，做圆周运动，水而不流出。碗和水的这种运动，就是假平动，而刚体力学却认为是真平动，认为平动可以在曲线上运动，以刚体力学的逻辑，人用手端着一碗水，在做上下运动的同时又沿着水平方向的运动，也叫做平动，这种运动物体上各点的路线，即不是直线并且相互交叉在一起。这种假平动与平动是矛盾的，是错误的。人用手端着一碗水，在竖直平面内，做圆周运动，水而不流出，把碗和水换成地球，地球恰好同步顺向自转一周。

在宇宙中，公转和自转都是动力学问题，它们的参照物是不可以任意选择的，自转只能是相对自转轴而言的, 公转是绝对的,，也是相对的，是相对公转中心而言的，这就是“日心说”和“地心说”的区别。如果天文界仍然坚持月球同步自转的错误观点，请解释一下，楼房以及楼房中所有物品，包括人和人的头有没有自转？如果自转，它们的自转轴在哪里？如果没有自转，与月球运动有何区别？公转和自转之间，没有任何内在的必然联系，在宇宙中，虽然天体无数，但是要做到自转和公转同步，几乎是不可能的，只有人为机械控制，才可以做到。为此，我发明了一种天体同步自转的演示方法：就是在转动的圆盘上,  有同步顺向自转球体, 有同步逆向自转球体,有不自转球体， 通过三种球体的运动状态的对比, 让世人更加直观的明白, 月球并没有发生同步自转现象。

5   小结   

用角动量守恒定律，很好地解释了太阳系天体运动现象，也发现了天文学上的一些错误认识，尤其月球同步自转无法解释，才发现月球的运动是不能叫做自转的，如果月球磁场很强，地球磁场会驱动它逆向自转的。

    平动是物体不自转标准中，公转半径为无穷大条件下的特例，自然界中并不存在，是不适合对自然运动物体的描述，因为不管月球（楼房、篮球等）自转与不自转，它们的运动都不会出现平动。月球只发生了来回自转（物理天平动）现象，而没有发生连续自转现象，连续自转的物体只有自转的快慢之分，是不可能出现物理天平动的，也并不是所有的天体都在自转，虽然改变人们的一些熟知的知识和观念很难，但是，为了科学的进步和发展，我们不得不做一些痛苦的抉择。

理论最终都是要为实践服务的，航天、深空探测、永久空间站的建立，要知道“顺水行舟”的道理，力的热效应是力学系统中普遍存在的一种自然现象，吸热和放热都是相对的，利用力的热效应，如果将引力场能开发成功，（开发方法将在《模仿地球发热原理开发引力场能源的方法》一文介绍），解决了能源危机问题，人类将进入更加文明的新时代。科学探索都是盲人摸象，我也不例外。                                                 

参考文献：                                                                 

[1] 《物理学辞典》  安徽教育出版社                                         

[2]《理论力学教程》人民教育出版社   周衍柏  编                             

[3]《新编十万个为什么》天文卷， 远方出版社，主编：王鹏                     

[4]《金星》百度百科                                                        

感谢：中国物理学会，中国力学学会，力学期刊网，中国科技论文在线，以及中科院白以龙院士，北京大学王建祥教授，和我校物理组的何家斌、刘延武、虞苏宁、肖学峰四位中学物理高级教师的关心、鼓励和支持。                                                                                               

注：文字来源：中国预印本网

http://www.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=2c92828242215f220144599ae99301b1