几颗质量相差不大的恒星在自身引力的影响下,绕着整体质心做匀速圆周运动。 这样的几颗星称为多星模型。
(这里补充几点。首先,多星模型中恒星之间的质量差不能太大。因为如果质量差太大,就会变成绕轨道和被绕轨道的关系,就像月球一样绕地球运行。只有当每个人的质量相差不大时,每个人都会移动。其次,高中物理题一般不会考虑多星模型中除了少数恒星之外的其他恒星,因为现实中这种多星模型出现其他恒星干扰多星模型的概率很小,这种情况下高中物理中的公式,多星模型无法在天堂中自行进行匀速圆周运动。)
1 特点 1.1 圆心为质心
多星模型中的每颗恒星在做匀速圆周运动时都有一个共同的圆心。 这个圆心就是整个多星模型中所有恒星的质心。 各种恒星的运行轨迹形成同心圆。
(为什么圆心必须是质心?因为只有这样整体才会稳定。如果圆心不是质心,可以想象各个星点的外力合力到各自圆的中心,然后很快就会分崩离析。这整个事情很难保持稳定。我们稍后会在三星模型中解释这一点。)
1.2 wT 相同
多星模型中每颗恒星的角速度和周期都相同。
(为什么?我们可以用矛盾的定性分析来解释。如果各个恒星的角速度不同,有的快,有的慢,那么它们之间的相对位置就会发生变化,从而导致万有引力的变化..,圆心也随之变化,整体变得不稳定,很快就分崩离析。)
1.3 合外力提供向心力
无论是双星模型还是多星模型,本质上都是牛顿第二定律中组合外力提供的向心力表达式的列表。 在双星模型和多星模型中,要求外力,需要写出万有引力的表达式,而万有引力的表达式还包括轨道半径,而轨道半径涉及到初中简单的几何关系高中数学。
2 三星型号
三星型号有两种,一种是三颗星始终共线,另一种是三颗星形成等边三角形。
2.1 直线
如下图所示,三颗星始终共线。 一颗质量为 M 的恒星静止在中间。 另外两颗质量均为m的恒星绕着质量为m的恒星做匀速圆周运动,轨道半径为r。
① 对于质量为 M 的恒星,它受到方向相反、大小相等的万有引力,且 Gfrac{Mm}{r^2}=Gfrac{Mm}{r^2},因此总外部引力力为零。
②对于质量为m的恒星,其受到的合引力提供了向心力,即Gfrac{Mm}{r^2}+Gfrac{mm}{(2r)^2}=mw^2r。
(为什么当中间的恒星静止时,三颗恒星必须共线?如果它们不共线,例如质量为 m 的恒星在顶部,质量为 m 的恒星在左侧。一方面,它可以想象,质量为M的恒星所受的引力不为零,它一定会移动;另一方面,质量为m的两颗恒星所受的合外力必然不会指向同一个地方,所以它们各自会个别移动,整体突然崩塌。)
2.2 三角形
如下图所示,三颗质量为m的行星位于一个等边三角形的三个顶点上,它们都绕着三角形的中心做匀速圆周运动。 三颗恒星的轨道半径为r,等边三角形的边长为L。
①由等边三角形的几何关系可得,L=sqrt{3}r。
②对于每颗质量为m的行星,其运动所需的向心力由另外两颗行星的引力合力提供,即2Gfrac{mm}{L^2}cos30°=mw^2r。
3 四星模型 3.1 三角形
如下图所示,三颗质量为m的行星位于等边三角形的三个顶点高中物理中的公式,一颗质量为m的恒星位于等边三角形的中心。 三颗质量相等的行星都围绕三角形中心的恒星做匀速圆周运动。 三颗恒星的轨道半径为r,等边三角形的边长为L。
①由等边三角形的几何关系可得,L=sqrt{3}r。
②对于位于等边三角形中心的质量为M的恒星,它受到其他三颗质量相等的恒星的合引力为零,公共点力平衡。
③对于位于等边三角形每个顶点的质量为m的恒星,其所受到的其他三颗恒星的引力之和提供的向心力为2Gfrac{mm}{L^2}cos30°+Gfrac {Mm {r^2}=mw^2r。
3.2 平方
如下图所示,四颗质量为m的行星位于正方形的四个顶点。 它们都围绕正方形中心做匀速圆周运动。 轨道半径为r,正方形边长为L。
①由正方形的几何关系可得,L=sqrt{2}r。
②对于每颗质量为m的行星,其运动所需的向心力由另外两颗行星对其的引力合力提供,即2Gfrac{mm}{L^2}cos45°+G压裂{mm}{(2r)^2}=mw^2r。
4个容易犯的错误
万有引力公式中,F=Gfrac{}{r^2},r指的是两颗恒星之间的距离。
向心加速度公式中,F=mw^2r,r指恒星做匀速圆周运动的轨道半径。
当一颗恒星围绕另一颗中心恒星做匀速圆周运动时,F=Gfrac{}{r^2}=mw^2r,这里的两个r相等。
双星模型和多星模型中,两个r是不一样的! 注意区分!