地球一直懸浮在宇宙空間中?想多了,其實地球一直在向下墜落

2023-11-18     魅力科學君

原標題:地球一直懸浮在宇宙空間中?想多了,其實地球一直在向下墜落

憑藉現代航天科技,現在的我們已經可以看到大量的從外太空拍攝到的地球影像,而這些影像中都顯示,地球並沒有什麼支撐,看到去就像是地球一直懸浮在宇宙空間中一樣。

這樣的情況就有點令人困惑,因為根據我們的常識,一個物體如果沒有支撐,那麼它就會向下墜落,但地球似乎並沒有遵循這樣的規律,為什麼會這樣呢?實際上,這是我們想多了,其實地球一直在向下墜落。下面我們就來看看這具體是怎麼回事。

首先來講,宇宙空間本身是沒有上下之分的,而所謂的「上方」和「下方」其實都是我們自己定義的,所以我們需要先來定義一下,地球在宇宙空間中的「下方」,到底是哪個方向。

在地球上,我們通常都是根據地球引力的方向來定義「上」和「下」,簡單來講就是地球引力所指的方向,就是「下」,與之相反的方向則是「上」,正是因為如此,我們無論站立在地球表面的哪個區域中,都會覺得自己是「頭上腳下」。

我們之所以會有這樣的定義,其實是因為在絕大多數時候,地球引力都是我們在宇宙空間中受到的最大的力。那麼,對於地球來講,它在宇宙空間中受到的最大的力是什麼呢?答案當然就是:太陽的引力。所以一個合理的定義就是:太陽引力所指的方向,就可以認為是地球在宇宙空間中的「下方」。

實際上,前文所講的「地球一直在向下墜落」,其實就是指地球一直在向太陽墜落,但問題是,如果真是這樣的話,那地球為什麼沒有墜入太陽呢?這可以通過一個思想實驗來進行說明。

想像一個場景:我們在地球上的一座高山的山頂安裝了一門大炮,然後我們沿著水平方向發射炮彈。在這種情況下,發射出的炮彈就會一邊因為慣性而沿著水平方向飛行,一邊因為地球引力的作用而向下墜落,所以它的飛行軌跡就是一條曲線,其彎曲程度與它的速度密切相關,速度越慢,彎曲得就越厲害,反之亦然。

如果我們發射的炮彈速度比較慢,它的飛行軌跡就會與地球表面相交,所以它最終就會墜落到地面上。但假如我們發射炮彈的速度越來越快,那麼炮彈飛行軌跡的彎曲程度就會越來越小,當炮彈達到了一個特定的速度,以至於其飛行軌跡的曲率與地球表面的曲率相等,它與地球表面的距離就始終不會發生變化。

如此一來,就會出現「炮彈一直在向下墜落,但一直不會墜落到地面上」這樣一種現象,在不考慮其他阻力的情況下,它就會沿著一個封閉的軌道一直圍繞著地球運行。

(註:地球本身可以認為是一個球體,因此地球表面並不是平的,而是有一個曲率)

需要知道的是,這個思想實驗有一個很有意思的名字——「牛頓大炮」,為什麼呢?因為這是由牛頓提出來的。

實際上,「牛頓大炮」的原理也適用於地球本身,我們只需要將地球想像成炮彈,再將太陽想像成地球,就可以得出:地球並沒有一直懸浮在宇宙空間中,其實它一直在向太陽墜落,但由於地球有一個特定的軌道速度,因此地球與太陽表面的距離就會一直在一個固定值的上下波動(因為地球圍繞太陽的軌道是一個橢圓),而不會墜入太陽。

值得一提的是,時至今日,「牛頓大炮」的原理早已得到了廣泛的應用,比如說圍繞著地球運行的人造衛星和空間站。我們可以將其運行原理簡單地理解為,人造衛星和空間站其實一直都在向地球表面墜落,但由於它們有一個特定的軌道速度,也就是我們常聽到的「第一宇宙速度」,所以它們就可以一直圍繞著地球運行。

正是因為如此,空間站上才會出現「失重」現象,其原理就是:空間站可以認為是一直在做自由落體運動,這樣就會造成其中所有的物質都具備了同樣的引力加速度,如此一來,物體之間以及組成物體的各部分之間都不會受到因為地球引力而產生的支撐力、拉力等等相互作用,看上去就像是地球引力消失了一樣。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh/900701961ff9d29f2d6c0bb895daac16.html