地球质量60万亿亿吨,这么重为何会漂浮在太空而不会坠落?

宇宙时空 2024-10-11 14:42:47

地球上的我们,自出生以来,就生活在这个蓝色星球上,我们的生活、认知、感觉都是在地球的环境里孕育而成。

那么,我们每天在地球上最直接的体验又是什么呢?

最明显的感觉莫过于,我们站在地面,有明确的上下之分,有方向的指引。我们脚下的大地是“下”,而头顶的天空是“上”。我们常常目睹那些比空气密度大的物体,譬如苹果,会从高空垂直落向地面。

于是,我们总结出了一个规律:重物总是从高处向低处坠落。

这是什么原因呢?因为有万有引力的存在,任何两个具有质量的物体间都存在相互吸引的力,地球会吸引着其引力范围内的所有物体。

这便解释了为何我们可以在地面上站稳,为何我们的身体能感知方向,以及为何有质量的物体会受引力作用而下落。

那么,地球这个巨大的物体,它的质量高达60万亿亿吨,它为何会漂浮在宇宙空间中,而不是一直下坠呢?

其实,这看似问题,实则是我们直觉上的一个误解。

首先,在真空的宇宙中,我们所说的“上下”其实并不存在,任何空间位置在物理上都是等价的,没有所谓固定的上下、左右、前后之分。方向,只是我们人为定义出来的。因此,说地球“往下掉”,其实并没有实际意义。

其次,我们要问,物体为什么会移动?

牛顿第一定律告诉我们,一个物体在没有受到外力作用时,它会保持静止或匀速直线运动。只有在外力的作用下,物体的状态才会发生改变。

地球上的物体下落,是因为受到了地球的引力作用。同样,地球在宇宙中的运动状态,也与其所受的力密切相关。

如果在空旷的宇宙中,地球周围没有任何天体对其施加引力,那么地球所受的合力就为零。

那么,地球会保持静止,或者以恒定的速度做直线运动。至于朝哪个方向运动,无关紧要,因为宇宙中并没有方向之分。

但我们知道,地球并不是孤零零地存在于宇宙中,它是太阳系的一员,周边有太阳、各大行星、矮行星和小天体。

这些天体对地球都存在引力作用,但太阳的质量占整个太阳系的99.8%,所以地球的运动主要受太阳引力的影响。

因此,地球在宇宙中的运动状态并非静止或匀速直线运动,而是受太阳引力作用,围绕太阳运动。

按照常理,地球应该被太阳引力拉向太阳,落到太阳表面。但实际情况并非如此。

地球在引力作用下,沿椭圆轨道绕太阳运动。这是为什么?

因为地球在受太阳引力的同时,还有一个与引力方向垂直的切向速度。这个速度使得地球在向太阳坠落的同时,总是错过太阳,不会与其相撞。

所以,我们可以说,地球实际上是在向宇宙空间中的“下”落,但这个“下”并非我们通常理解的南极或北极方向,而是指向太阳中心的方向。

为了便于理解,我们可以想象一个简单的例子,即牛顿当年做的思想实验——牛顿大炮。

如果我们垂直向上发射一枚炮弹,它会受到指向地球中心的引力作用,使其速度逐渐降低,直至为零,之后又在引力作用下加速向地球坠落。

所以,单纯垂直发射的炮弹或火箭无法逃脱地球引力,也不能使其绕地球旋转。

要让炮弹绕地球旋转或离开地球,就需要给它一个水平方向的初速度,超前发射。

假设在高山上发射炮弹,如果初速度不足,炮弹会因引力作用落向地面。但若初速度达到第一宇宙速度7.9km/s,炮弹的轨迹就会像C那样,不断错过地球表面,绕地球旋转。

速度再增大,如达到第二宇宙速度11.2km/s,炮弹的轨迹就会像E那样,逃离地球引力。

这就是人类发射绕地卫星的原理。火箭先将卫星垂直推送到足够的高度,然后以一定角度给予卫星足够的水平速度,使其绕地球旋转。

这与我们通常认为的火箭垂直将卫星送入太空不同,否则卫星仍会因引力而落向地面。

炮弹(卫星)绕地球的过程就像地球绕太阳一样,地球也在向太阳坠落,但其轨道速度保证了地球总能错过太阳表面,不会与其相撞。

如果降低地球的运行速度,其轨道会衰减,更接近太阳。当速度足够低时,地球会在近日点落入太阳,与其相撞。

反之,增加地球的轨道速度,它会错过太阳越来越多,轨道变大,逐渐远离太阳。

这就是《流浪地球》中人类使地球离开太阳系的原理,加速地球,使其脱离太阳系。

综上所述,地球确实在“下落”,方向是太阳中心。之所以不撞上太阳,是因为地球拥有足够高的速度,保证其能错过太阳表面。

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