地球重60萬億億噸,為什麼它可以漂浮在太空,不往下墜…


地球重60萬億億噸,為什麼它可以漂浮在太空,不往下墜落?的頭圖

地球重60萬億億噸,為什麼它可以漂浮在太空,不往下墜落?

從出生到死亡,我們所有人都生活在地球上,因此我們所看到的現象,掌握的規律,我們的常識和直覺都來自於地球表面。

那麼我們在地球上最常會感受到什麼?看到什麼?

最直觀的感受就是,站在地面上有上下之分、有方向感,腳踩的大地是下,頭頂的天空是上;我們整天都會看到比空氣密度更大的物體下落到地面。

所以我們就從中總結出了這樣一個規律:重物勢必會從高處往低處墜落。

這是為何?因為萬有引力的存在,兩個質量物體之間會產生引力作用,地球會對它引力範圍內的所有物體產生吸引力;

因此在地球上我們可以牢牢的站在地面上,我們的身體器官告訴了我們方向感,有質量的物體會在引力的作用下落向地面。

那麼地球的質量達到了60萬億億噸,如此龐然大物為什麼會漂浮在宇宙空間之中,它為什麼不會一直往下掉?

其實這個問題並不是個問題,只是我們直覺上的一種誤解。

首先在宇宙真空中,根本就沒有所謂的方向,任何空間位置在物理上都是等效的,沒有所謂的上下、左右、前後之分,方向只是人為規定出來的,所以地球“往下掉” ,這個問題並不成立。

其次我們需要知道的是,物體為什麼會發生運動?

相信你還記得牛頓第一定律,也就是慣性定律,說的是:一個物體在沒有受到外力的情況下,它會一直保持靜止或者勻速直線運動,只有受到的淨力不為零的情況下,物體的狀態才會發生改變。

在地球上物體下落到地面是因為這個物體受到了地球給它的引力,而地球在宇宙中的運動狀態就跟它所受到的力有直接的關係。

要是地球在深邃的宇宙空間中,周圍沒有任何天體給地球施加引力的話,那麼我們就會知道地球受到的力就為零。

那麼地球本身就會在宇宙空間中處於靜止,或者勻速直線運動。至於地球會向哪個方向勻速直線運動,這無關緊要,畢竟在宇宙空間中沒有所謂的方向一說。

但我們知道地球並非處在空無一物的宇宙空間,地球是太陽系的一部分,周圍有著太陽以及除地球以外的7大行星,還有一些矮行星和小天體。

這些天體對地球來說,都會施加引力的作用,但太陽本身的質量就占到了整個太陽系物質的99.8%,因此地球的運動主要受到了中心太陽的引力影響。

所以說地球在宇宙空間中的運動狀態並非是靜止或者是勻速直線運動。它受到了朝向太陽中心的引力作用。

按理來說,地球應該會被太陽引力拉向太陽,並落到太陽表面,像是一個物體受到地球引力落到地球表面一樣,但真實的情況是:

地球在引力的作用下,繞著太陽沿橢圓軌道運動。為什麼會這樣?

因為地球在受到太陽引力作用的同時,它還有一個垂直於引力方向的切向速度。這個速度保證了地球在向太陽中心墜落的時候,一直錯過太陽,不會於太陽相撞。

所以我們可以認為地球其實是在宇宙空間中下落,但下落的方向並非我們認為的南極方向或者是北極方向,而是太陽中心的方向。

為了理解這個問題,我舉一個簡單的例子,這個例子也是牛頓當年做過的一個思想實驗,這個思想實驗叫牛頓大砲,是人類目前發射繞地衛星的理論基礎。

我們垂直朝上發射一顆砲彈,也就是上圖中綠色的小球,那麼這個小球會受到一個朝向地球中心的引力,這個引力會導緻小球的速度一直衰減,直到為零,然後又開始在引力的作用下加速墜向地球。

因此垂直發射砲彈或者是火箭,是無法逃離地球引力的(至少以人類目前的能力是無法辦到的),也無法讓砲彈在軌道上繞著地球旋轉。

所以想要讓砲彈繞地球轉或者離開地球就需要給砲彈提供一個水平上的初速度,超前發射砲彈。像下圖中的樣子。

假設在一個高山上架炮,超前發射砲彈,砲彈在向前飛的時候,會在引力的作用下往地面上落,如果砲彈初速度不夠的話,那麼砲彈就會飛行一段距離砸向地面。如上圖中的a和b。

如果在給砲彈增加更大的初速度的話,當速度達到了第一宇宙速度7.9 km/s,那麼砲彈的軌跡就會變成C;

這是因為地球是個球,它有一定的曲率,砲彈只要擁有了足夠的初速度,那麼它在落向地球的時候,這個速度就會使得砲彈不斷的錯過地球表面,最終繞著地球旋轉。

如果速度再大一點,砲彈的軌跡就會變成D,如果速度再大,達到了第二宇宙速度11.2km/s,那麼它的軌跡就會變成E,直接逃離地球的引力控制。

整個過程就和上圖中的一樣,這就是人類發射繞地衛星的原理,火箭先把衛星垂直推到足夠的高度,然後火箭會與垂直方向有一個夾角,給衛星提供足夠的水平速度,這樣衛星就可以繞著地球旋轉了。

並不是我們認為的火箭是垂直把衛星送入太空的,如果是這樣的話,衛星還會因為引力而落向地面的。

砲彈(衛星)繞地球的過程就跟地球和太陽一樣,地球也在朝著太陽墜落,但是地球軌道速度保證了地球總是會錯過太陽表面,所以地球不會與太陽相撞。

如果降低地球繞太陽運行的速度,那麼地球的軌道就會發生衰減,它會更加靠近太陽,當地球的速度足夠低,地球就會在近日點落向太陽,與太陽相撞。

如果增加地球的軌道速度的話,那麼它會與太陽錯過的越來越多,也就是軌道變得越來越大,會逐漸的遠離太陽。

這就是《流浪地球》中人類把地球帶離太陽系的原理,給地球加速,它就會離開太陽系。

所以總結一些,地球確實在宇宙中下落,但方向是太陽中心,為什麼不撞向太陽,是因為地球有一個很高的速度,保證了地球能夠錯過太陽表面。