地球质量达到60万亿亿吨,为何没有向下坠落而是悬浮在太空?
对于人类来讲,地球就是我们的全部。从出生开始,一直到死去,我们的一生都会在地球上度过。所以,人类总结出的大自然规律,都是建立在地球表面上的直觉和生活常识。
但很多时候,这种直觉常常带有很大的局限性,因为地球虽然很大,在那只是在人类眼里,放在浩瀚宇宙,地球实在太渺小了。
在如此渺小的地球上生活一生,人类的认知难免会有局限性,而且这种局限性很难突破。
比如说,日复一日生活的地面上的我们,最大的感受是什么呢?
我们会有方向感,会有上下左右的方向感,会下意识地认为头顶就是上,脚下就是下。当然,除了用我们的头和脚区分上下之外,我们每天都会看到不同的物体往地面上坠落,这就更加深了我们对上下概念的认知。
于是我们就总结出了一条大自然法则,物体总是会从上往下坠落。
而牛顿万有引力定律也告诉了我们这点,万物之间都有引力,地球会吸引附近的物体,让物体朝向地面坠落,往下坠落。
但是问题来了,地球的质量非常大,达到60万亿亿吨,为什么地球没有往下坠落,而是一直悬浮在太空里呢?
这个问题就是人们认知局限性的最好体现,也是我们在直觉上的误解,严格来讲,这本不应该是一个问题。
在地面上,直觉告诉我们,有明显的上下之分。但是一旦离开地球来到浩瀚太空,根本没有所谓的上下这种概念。
在太空里,任何方向对于我们来讲都是等价的,所谓的方向本来就是人为定义的。这也是刚才我为什么说问题没有意义,因为所谓的“地球往下掉”,这里的“下”就是人为的定义,放在宇宙高度就失去了意义。
虽然问题本身没有意义,但如果只是这样回答,想必很多人会不满意。所以我还想做进一步的分析。
地球到底是如何运动的?做什么样的运动呢?
牛顿第一定律大家都知道,也被称为惯性定律。在没有外力作用的情况下,万物总是会保持静止或匀速直线运动。
力,并不是物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因。而地球的运动状态当然也与力有直接关系。
如果地球在浩瀚宇宙里没有受到任何力,或者受到的合力为零,那么地球就会永远保持静止或者匀速直线运动。
但是虽然宇宙很空旷,但地球受到的力不可能为零,因为地球位于太阳系,周围有很多天体,气体云等物质,都会对地球产生引力作用。
而太阳对地球的引力影响最大,因为太阳质量占据了整个太阳系质量的99.86%,所以我们分析地球受到的引力时,太阳的引力占据了绝对统治地位。
因此,地球不可能保持静止或匀速直线运动,而是在太阳巨大引力的作用下,朝向太阳运动。
既然如此,地球应该直接被太阳强大的引力拉着坠落到太阳上,但事实上并非如此,地球一直绕着太阳做椭圆运动,长达几十亿年都是如此。
简单说,因为速度。地球确实一直朝着太阳的方向坠落,但受太阳引力拉拽的同时,地球还有另外一个方向的速度,垂直于太阳引力方向的切线速度。
正是有了这个速度,才最终保证了地球在坠落到太阳的过程中,总是会完美错过太阳,不会真的坠落到太阳上。
其实这种现象在我们生活中无处不在,只是我们很少注意罢了。
最简单的例子,你随便捡起一块小石头,朝远方扔去,石头飞过一条抛物线之后,总是会落到地面上。
现在假设你有无穷大的力量,不断增加扔石头的力度,于是石头飞得越来越远。
可以想象到,随着你扔石头的力量不断变大,石头获得的初速度会越来越快,到了某个临界点,石头就不会坠落到地面上,而是会一直围绕地球飞行,石头实际上就成为了地球的卫星。
我们如今都知道这个临界点就是每秒7.9千米每秒,也就是第一宇宙速度。以这个速度飞行的石头就不会坠落到地面上,但不可否认的是,石头一直在朝着地球坠落。
而相对于太阳来讲,地球就是那块“石头”!
事实上著名的“牛顿大炮”早就说明了上述现象,在高山上架上大炮,发射炮弹,随着炮弹速度的不断变大,最终炮弹会像那块石头一样成为地球的卫星。
而如果炮弹的速度继续变大,达到每秒11.2千米,也就是第二宇宙速度,就会摆脱地球引力。
事实上,这也是人类发射卫星的基本原理,只要给卫星足够的速度,就可以把卫星送入太空。
当然,地球有足够的切线速度很关键,还有一个因素是太阳是一个球体,球体就拥有一定的曲率,当地球朝向太阳坠落的轨迹与太阳的曲率恰好吻合,就不会坠落到太阳上。
由此看来,地球并非悬浮在太空里,而是一直在朝太阳的方向坠落。只不过除了垂直太阳方向的速度之外,地球还有切线方向的速度,而这个速度又足够快,再加上太阳是一个有一定曲率的球体,所以地球总是能完美错过太阳,不会坠落到太阳上。
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