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一文讲清地球自转!如果直升机悬停,会因自转位移吗?

2024-02-29科学

地球自转是什么?为什么太阳东升西落,这些问题可能是人类最早的科学探索之一,也是我们日常生活中的常识。

现代人几乎人人都知道,地球在绕着自身的轴心一刻不停的做着从西向东旋转的运动,由于地球的原始物质在引力和旋转动量的作用下聚集和收缩,而产生的自转活动。人类对地球自转的认识其实经过了漫长的观察和研究才逐渐明确。

最早提出地球自转的假说的是古希腊天文学家赫拉克利德,公元前 4 世纪,他提出地球是一个球体,每天绕着自己的轴心旋转一周,从而解释了日出日落的现象。

但是,这个假说并没有得到广泛的接受,直到 16 世纪,哥白尼提出了日心说,认为地球不仅绕着太阳公转,还绕着自己的轴心自转,从而解释了更多的天文现象,四季变化、星空的运动等未解之谜才有了一个确切的答案。后来,伽利略、开普勒、牛顿等科学家通过观测和理论,进一步证实了地球自转的事实,使得地球自转的认识逐渐成为科学的共识。

归根结底,地球自转的主要原因是动量守恒,这是一种物理定律,它表明一个系统的总动量在没有外力作用的情况下是不变的。

地球在形成的过程中,就获得了一定的角动量,这是由于地球的原始物质在引力的作用下旋转而产生的。当这些物质聚集成地球后,由于角动量的守恒,地球也开始自身旋转。

地球自转的另一个原因是万有引力,通过万有引力的规则,任何两个物体之间都存在着相互吸引的力,这个力的大小与两个物体的质量和距离有关。地球在自转的过程中,受到了太阳、月球等其他天体的引力的影响,这些引力会对地球的自转产生一定的扰动,使得地球的自转速度和方向发生一些变化。

地球自转的还有一个原因是离心力,这是一种惯性力,它表明一个物体在做圆周运动时,会受到一个与圆心相反的力,这个力的大小与物体的质量和速度有关。地球在自转的过程中,地球上的物体会受到一个向外的离心力,这个力会使得地球的形状发生一些变化,使得地球的赤道半径比极半径略大,形成一个扁球体。总之,地球自转的原因是多方面的,它是由于地球的形成、运动和物理定律的共同作用而产生的。

地球自转除了给了地球昼夜之分外,还产生了一个十分奇特的现象 ——极昼极夜!极昼极夜是指地球两极地区的一种自然现象,极昼又称为白夜,是指太阳永不落地,天空总是亮的;极夜来临时,太阳则永不升起,整个地区处于永夜。

其实当我们的视角放在远离地球的太空来观察,就发现极昼和极夜的现象并没有那么玄奇!当地球在公转的过程中,有时候北半球会向太阳倾斜,有时候南半球会向太阳倾斜,这就导致了不同的季节和太阳直射点的变化。

当北半球向太阳倾斜时,北极圈内的地区会接受到更多的太阳光,形成极昼现象;当南半球向太阳倾斜时,北极圈内的地区会接受到更少的太阳光,形成极夜现象,反之亦然。

地球自转不仅影响了地球上的昼夜和温度,还影响了地球上的季节变化。这是因为地球的自转轴并不垂直于公转轨道面,而是有一个 23.5° 的倾角,这个倾角就是黄赤交角。黄赤交角是地球自转轴与黄道面的夹角,黄道面是地球绕太阳公转的平面。由于黄赤交角的存在,地球上不同地区在不同季节接受到的太阳光线强度和角度不同,导致了季节的交替和气温的变化。

当北半球的自转轴向着太阳时,北半球就是夏季,南半球就是冬季;当南半球的自转轴向着太阳时,南半球就是夏季,北半球就是冬季。这样,地球上就形成了四季的循环。

四季的变化对地球上的植被和动物都有着重要的影响。在温带地区,春天是万物复苏的季节,植物开始生长,动物开始繁殖;夏天是生长旺盛的季节,植物开花结果,动物活动频繁;秋天是收获的季节,植物结出果实,动物储存食物;冬天是休眠的季节,植物凋落,动物冬眠。

在热带地区,四季的变化主要表现为雨季和旱季的交替,雨季是湿润的季节,植物茂盛,动物繁多;旱季是干燥的季节,植物枯萎,动物稀少。在寒带地区,四季的变化主要表现为极昼和极夜的交替,极昼是光照的季节,植物快速生长,动物迁徙;极夜是黑暗的季节,植物停止生长,动物隐匿。

可以说,地球自转使得地球成为了一个适合生存的星球,为生命提供了多样的环境和条件。

地球自转的速度并不是恒定的,而是会随着时间和地理位置的不同而有所变化。地球自转的速度可以用角速度和线速度来表示,角速度是指地球每秒钟自转的角度,线速度是指地球表面每秒钟向东移动的距离。

地球的角速度大约是每秒钟 0.0000727 弧度,也就是每小时 15 度,这意味着地球需要 24 小时才能自转一周。地球的线速度则取决于纬度的大小,赤道处的线速度最大,约为每秒钟 465 米,也就是每小时 1674 公里;而两极处的线速度则为零,因为两极处并不随着地球自转而移动。这样,地球上不同地区的昼夜长短和太阳高度也会有所不同,特别是对于北极和南极的地区,会出现极昼或是极夜的现象。

地球自转这一现象是我们日常生活中的常识,也是影响我们生活的重要天文现象,但是这个问题却引出了一个更加有趣的科学思考,就是悬停半空中等地球自转将一架直升机带到地球另一端的问题。

这个问题的背景是这样的,假设有一架直升机可以永远悬停在空中,不受任何外力的影响,那么如果它在赤道上悬停 12 小时,是否可以到达地球的另一端呢?

要回答这个问题,我们首先要明白,直升机在空中悬停时,并不是真正的静止,而是和地球一起自转。这是因为直升机在起飞前,就已经和地球有了相同的自转速度,而且直升机受到了大气的摩擦力,使得它和大气保持了相对静止。所以,当直升机悬停时,它随着地球转动的惯性依然存在,所以它相对于地表仍然是静止的。

经过 12 小时之后,直升机并不会到达地球的另一端,而是仍然在原来的位置上。这就像我们在火车上跳起来,也不会被甩到火车的后面一样。

当然,地球的形状、重力、空气阻力,都会对直升机的运动产生一定的影响。例如,如果直升机在高纬度地区悬停,由于地球的自转线速度较小,直升机可能会有一定的偏移,类似于跳高的例子。

另外,由于地球自转产生的科里奥利力,直升机在北半球会受到一个向右的偏转力,而在南半球会受到一个向左的偏转力,这也会影响直升机的运动轨迹。

总之,这个问题其实是一种科学修辞,用来引发我们对地球自转的思考和探索。

地球自转对我们的生活有着无处不在的影响,从日升日落,到生活习惯,从农作物,到潮汐,从科学研究,到建筑和工业,都可以看到地球自转的痕迹。地球自转这一天文现象虽然看似简单,但是却有着复杂的影响,鼓励我们多想一想,它还对我们的生活产生了哪些影响。也许,我们会发现更多的奥妙和美好。