自转是一种惯性运动吗?为什么地球可以自转几十亿年?(地球自转是因为惯性吗)

原创 野人  2023-05-16 12:35  阅读 24 次

网友老粥科普说:

行星的自转确实是一种惯性运动,这种自转通常是在行星形成之初就已经开始了,地球自然也不例外。要想知道地球为什么能自转几十亿年,我们需要把眼光放到45亿年前,从太阳系的形成开始讲起。

行星为什么会绕太阳公转?

在太阳系形成之前,我们所处的这一片太空是一个混沌的星云团。前一颗超新星把一切都炸成了碎片,星云中间除了一颗叫做T Tauri的年轻星球之外,其它都是氢、氦和各种重元素碎屑。也许是附近另一颗超新星爆发产生的激波打破了太阳星云的平衡,使它旋转起来,随着星云开始加速,其角动量,重力和惯性将其平展成垂直于其旋转轴的原行星盘。由于碰撞引起的小扰动和其他大型碎片的角动量产生了公里大小的原行星开始形成的方式,绕着星云中心运行。星云的中间区域由于没有太大的角动量,转的不快,这里的物质迅速向中心的T Tauri星坍塌,压缩加热直到氢气开始核聚变成氦气。经过更多的收缩,T Tauri星的质量变得越来越大,它巨大的质量吸引了周围越来越多的氢气和尘埃,直到被点燃并演变成太阳。那些靠近太阳又没有被吞没的行星,都是因为它公转的速度足够快,达到了角动量与引力的平衡。关于太阳系中心重力造成整个星系物质产生旋转,其实我们在家里做一个简单的实验就容易理解角动量:当你拔掉一个装满水的水池底部的塞子时,就会渐渐产生漩涡,越靠近中间,水下泄的速度越快,漩涡就会越大越急。

行星为什么会自转

在太阳形成的同时,在星云重力的外部引起物质凝聚在密度扰动和尘埃粒子周围,其余的原行星盘开始分离成环。在一个称为失控增生的过程中,许多较大的灰尘和碎片碎片聚集在一起形成行星。行星之所以没有随中心气体一起落入太阳,是因为它们有足够的角动量。行星绕太阳做圆或椭圆的离心运动,在没有外来作用力的情况下,行星会继续保持它原有的公转轨道。这符合牛顿第一定律。(行星在原行星盘中形成)行星的自转是因为在行星形成之初的时候,位于行星环附近的尘埃和碎片各自拥有不同的角动量,当这些碎屑聚集在一起时,它们的角动量差会推动行星向某一个方向做自转运动。一般认为,地球在形成的初期,它的自转速度要比今天快许多。直到一颗火星大小的星球撞击到地球上,不仅将大量的碎片撞到距离地球4万多公里的高空形成月球,其巨大的撞击力还使地球自转的速度减慢了下来。(地球被撞击过程的计算机模拟)

地球自转会越来越慢

地球相对于太阳在大约24小时内旋转一次,但相对于其他遥远的恒星,地球自转一周的时间是23小时56分4秒。我们的地球现在每一天都会比前一天更长,这意味着地球转的越来越慢。只不过地球减慢的过程非常漫长,每过100年,地球自转一周的时间会增加2.3毫秒,所以我们几乎没有感觉。从天文学的角度,地球确实比以前转得慢了,这主要是因为月球的影响。月球绕地球旋转,它与地球之间的引力会造成地球大气、海洋甚至地壳的潮汐运动。这种潮汐运动会轻微地改变地球自转的角动量,从而减缓地球自转的速度。根据计算,在大约1.8亿年后,地球上的一天将比现在长一个小时。

网友力学Nerd王小胖说:

有时候,惯性确实是一个让人困惑的物理名词,因为它缺少定量的描述。

惯性的起源

惯性指的是物体保持原有运动状态的能力。在不受外力的情况下,这个物体将会一直保持现有的运动状态。这样的一种描述,无法给出本质的物理解释,更无法参与计算。早期,人们对惯性提出了种种学说,比如冲力说等等,但是这些对惯性的解释显得比较苍白。伽利略提出了一个著名的思想实验:从高处沿轨道滑落的小球,若无任何阻碍,将会一直匀速直线运动下去,伽利略将之成为惯性定律。如下图。当时,惯性定律还不能为人所接受。后来,牛顿写出了第一定律,才证实了伽利略的惯性定律。牛顿认为惯性可以用质量来衡量,质量越大,惯性越大。所以牛顿认为惯性是物体本身具备的一个特质。但是,马赫(上图)并不这么认为,他觉得惯性来自于远场的物体的作用,但是他没有详细的计算。后来,爱因斯坦受其启发,提出的广义相对论里认为重力是远场影响本域的机制,给出了精确计算出惯性的方法。

2、转动惯量

对于旋转的物体,力学上有专门的名词来描述:转动惯量,其定义式如下。根据这个定义式,转动惯量的大小与质量和距离有关,即与质量的分布有关。质量分布的越远,转动惯量的值就越大。转动惯量越大,表示物体越难以加速或减速旋转。

3、自转就是惯性

星球的自转起源于大爆炸,或者星球的相互碰撞。之后,星球能够维持自转,就是惯性的原因。只要没有外力阻碍其自转,那么这个星球将会永远转下去。星球的质量都比较大,导致其转动惯量非常大。所以,其他星球的引力,或者陨石的撞击,都比较难以改变其自转的速度。

网友孵鵝鸭说:

是一种惯性运动,地球的运动产生了引力,有了夜晚和白天,见到了月亮和太阳,有了大海潮起潮落 ,纬度的变化又产生了冷和热,有了雨和风,万物生长;地球以外很远的地方,是真空,它的运转是在真空没有阻力下工作的,几十亿年依然如故。

网友宝树白石说:

学过电磁学的朋友都知道电动机原理,那么,电动机原理是不是宇宙万有引力的普遍真理呢?只要是电磁学,这个原理就带有普遍性。那么宇宙中的普遍性就是电动机为什么会转的原理,适用于宇宙中任何具有这个原理的宇宙现象。地球围绕着太阳旋转,太阳的磁力线穿过地球的中心,在地球上与这个磁力线交叉垂直于90度就会产生电场,同时与电场平面90度就会产生一个力,这就是左手定则,也叫电动机定则。地球就会朝着一个方向永远的朝着这个力的方向旋转下去。这就是地球在太阳的磁场中朝着一个方向永远旋转下去的原因。太阳是永恒的吗?一个物体大到一定的程度,在万有引力的作用下,所有的物质就会朝着中心吸引,而朝着中心这个点吸引,由于朝着一个中心点吸引,而产生物体形状必定是圆形。一个物体太大了,所有的物质朝着中心挤压而释放出大量的热来,把中心所有的物质溶化,而溶化热的传导作用,使整个的球体变的发光,发热,这就是太阳为什么会永远发光发热的原因。地球小,只能使中心的物质释放出热量,而溶化中心的物质,而这样规模的热量传导热量有限,而出现中心岩石溶化成岩浆,而外壳并没有被全部传导而出现岩石外壳的原因。太阳与地球的距离不致于把地球吸引到太阳上去,而这样的引力这个量又吸引着地球,太阳的磁力线又穿过地球的中心而产生左手电动机原理,而使地球旋转起来。旋转所产生的离心力,与太阳的引力各自相等,地球按照自已的轨道永远的旋转下去,永远不停不息的旋转下去。

网友物原爱牛毛1说:

先回答第二个问题,简单粗暴地说,地球可以自转几十亿年,是因为地球有角动量且角动量守恒。而地球之所以有角动量,大多数人认为是因为地球形成时期质量被引力吸积而分布不对称所致,当然也受太阳和月球潮汐力影响,还有人说是大碰撞造成的……,不过本人更倾向于地球具有的初始自转角动量应该来自于现代星云起源说中描述的太阳系形成初期:地球和太阳由同一原始星云在自身引力下收缩形成的,由于角动量守恒,收缩必然引起整个星云开始旋转,最后形成中心天体――太阳及其自转,还有地球的公转和自转。还由于角动量收恒,在没有受到外部足够力量的情况下,太阳的自转、地球的公转和自转会一直持续下去,不止几十亿年。下面再来回答第一个问题。

狭义上讲,自转当然不是一种惯性运动。

牛顿力学的惯性定律说的很清楚,惯性就是物体维持原来运动状态的性质。因此在不受外力的情况下,物体或者静止或者匀速直线运动。也就是说,在这种情况下物体不会改变速度的大小和方向,而自转却是一种一直在改变速度方向的运动,它显然不符合惯性运动的特征。当然,惯性是物体自身的一种固有性质嘛,所以它每时每刻都会伴随着物体及其运动,它会存在于所有运动中(即无论受没受到外力),而不只存在于匀速直线运动或静止(匀速直线运动和静止只是直接体现惯性的运动)中。既然所有运动中都包含着惯性运动,因此从这个意义上可以这样讲:自转运动中包含着惯性运动。惯性概念也是一个发展的概念,因此要想更深入地回答第一个问题,还要先来了解一下惯性概念的发展过程。

惯性概念的发展和推广

一,马赫对牛顿惯性概念的批判最早对牛顿惯性概念提出批判的是奥地利物理学家恩斯特·马赫,他认为惯性并不是物体自身的固有属性,而是整个宇宙其他所有物质共同作用的结果。在非惯性系里物体所受的“惯性力”不是虚拟的,而是一种引力表现,是宇宙中其他物质对其的总作用。马赫甚至设想,如果宇宙中只有一个物体,那么这个物体是没有惯性的。他把惯性等同于引力,并认为物体的运动是相对运动,速度和加速度都是相对的。这些思想被爱因斯坦称为马赫原理,启发了爱因斯坦对广义相对论的创立。但马赫原理是不完备的。二,马赫原理是不完备的首先,撤掉一个物体周围的其他所有物质,但由于物体本身还有多个部分,它们之间还可作相对运动;其次,马赫为反对绝对空间的存在,把包括真空在内的所有物质组成的马赫空间作为一件东西完全“抛弃”掉了。因此他认为这样是无法去判断物体作什么运动的,因而也就没有惯性。实际上即使在空无一物的太空中,惯性也是存在的,这反映的是物质运动的本质。因为没有“惯性”就意味着运动是没有规律的,如果是静止,它会无缘无故动起来,如果它正在运动会无缘无故静止。或者给它一个任意小的作用力,它会即时动,而一旦撤走作用力,它会即时停,因而否定了真正的运动,同时也否定了物体之间的相互作用和联系,陷入偏面、孤立和静止,进而否定空间的物质性和这个世界的物质性。

爱因斯坦对惯性概念的深化和推广

爱因斯坦吸取马赫原理的精华,从物体的引力质量总是等同于惯性质量这一事实出发,提出局域引力场等效于加速度(惯性场)的观点,即等效原理,并以此原理为基础创立了广义相对论。爱因斯坦认为引力只不过是时空弯曲的几何效应,其本身作为“力”是不存在的。因此不能说惯性力就是“引力”,不是虚拟力。不能说惯性就是一种引力表现,就是宇宙其他物质总作用的结果,因为引力只是一个几何效应。与其说惯性等同于引力,不如说惯性是时空弯曲的等价表现。爱因斯坦认为宇宙中分布的物质弯曲了其周围的时空,因此整个宇宙时空是弯曲的。而所谓的引力场就是弯曲的时空,就是与其等价的惯性场。物体的运动就是在弯曲时空的运动,而物体的所谓惯性运动就是沿着弯曲时空作的“测地线”运动,这就是广义的惯性运动。如果在相对平直的时空(牛顿时空)里,物体的轨迹就是一条直线,运动速度也是恒定的,这就是牛顿力学中描述的惯性运动。因此从中可以看出,牛顿力学中的惯性运动只是广义惯性运动中的一个特例而已。

因此广义上讲,天体的公转和自转就是在弯曲时空的惯性运动

天体公转和自转同时起源于中心天体的自转,因此并不存在没有公转的单独自转,天体的自转总是伴随着公转,而在爱因斯坦的广义相对论看来,公转只是天体沿着中心天体周围弯曲的路径在作测地线运动而已。天体自身并没有受到任何“引力”等外力,天体只是在做尽可能最短距离的运动,即类似于在平直时空中没有受到任何外力的匀速直线运动――狭义的惯性运动。而自转运动也没有受到任何的外力,因此天体的自转也是广义的惯性运动。当然也可以把天体自转看作是其自身每一部分都在围绕中心作测地线运动――广义的惯性运动。

事实上,地球的自转在逐渐减慢

地球自转减慢已经在考古上得到证明,变慢的原因是因为受大气摩擦、外来天体撞击以及太阳和月球对地球的潮汐力等因素的影响所致。有科学家研究指出,地球早期的自转周期只有2.5小时,一颗行星大小的天体撞击了地球后,撞击出的物质形成了月球,那时地球的自转周期就变为5小时。但是在宇宙膨胀和潮汐力的影响下,月球每年都在极其缓慢地远离地球,而由于角动量守恒原理,地球的自转速度随着月球的远离会越来越慢,直到数十亿年后的今天,地球的自转周期变为24小时。科学还通过计算机模拟和计算,认为大约在几十亿年后,当地球反过来也被月球锁定的时候,即地球自转周期与月球公转周期相同时,那时地球的自转周期将大约为41天半,而如果地球完全停止自转(自转停止的同时,公转也会停止,如果那时还有太阳和地球,地球会坠落太阳)需要一千亿年,根据现代恒星演化理论,地球和太阳不会有这么长的寿命,那时的人类早已离开地球,离开太阳系,成为了多星球物种。因此相比一千亿年,地球自转几十亿年实在不算什么,即使它不算惯性运动。

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