羽毛都会坠落,为啥60万亿亿吨的地球,却能漂浮在太空中?
地球重达60万亿亿吨,但当我们从太空中看地球时,地球似乎是悬浮在空间当中的,在地球上一根羽毛会自动向下坠落的情况下,为何如此重的地球却能漂浮在太空中呢?
人类已在地球上繁衍生息了数百万年,对地球上的大部分自然现象早就习以为常,并发现了其中的规律,牛顿在十九世纪初看到苹果向下坠落,由此发现了万有引力,实际上地球能悬在太空和苹果会坠落地面的本质是一样的,即万有引力定律。
牛顿认为,万有引力是一种超距作用
即不需要两个物体接触,也能对彼此施加力,同时这种力的传播不需要时间,可以实现瞬时传递,意思就是假如太阳消失了,地球也会即刻脱离轨道沿着切线方向飞去,这是因为在太阳消失的一瞬间,地球受到的引力也消失了。
在地球上,一切物品都会被地核吸引,因此我们能够牢牢的站在地面上,并以此划分了上下左右的概念,但在太空时距离地球太远,已经脱离了地球的引力,所以实际上在宇宙中没有上下左右之分。
地球中的“下”本质上就是万有引力施加的方向。
在整个太阳系中,太阳占据了99.8%的质量,因此地球在太空中受到向太阳的引力作用,一般来说,地球应该会被太阳的引力拉向太阳,就像苹果在地球上会坠落到地面,但实际上地球在绕着太阳沿着椭圆轨道运动,这是为什么呢?
牛顿当年就为这个问题做过一个著名的思想实验。
假如我们在地表垂直方向上发射一枚炮弹,炮弹会受到地球的引力影响导致速度不断衰减,直至衰减为0开始向下加速跌落,所以垂直发射炮弹或火箭很难逃离地球引力,一方面炮弹无法获得足够的初始速度,另一方面火箭也无法携带足以支持持续加速的燃料,至少对人类现在来说很难办到。
假如把大炮的位置架设在一座高山上,并以水平的方向把它发射出去,它向前飞的时候也同样会受到引力影响,在飞行一段时间后砸向地面,如果射速很低,它可能在山脚就会落下,但如果射速逐渐提高,它的坠落点也会越来越远,直到射速达到7.9千米每秒,它就会绕着地球做圆周运动。
这是因为地球本身是球体,具有一定的曲率,大炮在向前飞的时候也在向下运动,但由于向前飞的速度够快,它能够不断的错过地表,圆周运动产生的离心力和地球的引力达到平衡,它就能不断的围绕地球运动而不会掉下来了。
同理,地球也可以看成一枚架在太阳上打出去的炮弹,它以每秒29.78公里的速度围绕着太阳公转时,圆周运动的离心力足以对抗太阳对它的引力,所以它不会向太阳坠落。
人类发射绕地卫星也是同样的原理
首先由火箭把卫星推到足够的高度,然后慢慢调转到水平方向,给卫星提供足够的水平初速度,这样一来卫星就能绕着地球旋转了。
不考虑其他因素下,能够抗衡地球引力的速度就是7.9km/s,即第一宇宙速度,如果恰好是这个,物体就会绕着地球做圆周运动,假如它的速度更快一点,它的圆形轨道就会越来越趋向椭圆形。
当速度达到阈值时,它就能彻底冲破地球的引力,成为绕着太阳运转的行星,假如它的速度达到了16.7km/s,就能突破太阳在整个太阳系中的引力,直接冲出太阳系
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