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地球自转难以证明?傅科:给我一根绳子和一个球,原理马上呈现

2024-10-27科学

人在地球上不动,一天也能随着地球转八万里,还能遥望到天上的很多星河呢。

这句诗是由毛泽东先生写的,他是中国共产党、中国人民军队、中华人民共和国的奠基人,也是中国人民的领袖,还写诗、擅长书法。诗的意思是人在地球上,地球自己会转,人不知不觉一天就走了八万里呢。

地球直径有12500公里,拿圆周率跟它相乘的话,周长就是四万公里,也就是八万华里。那地球自转到底是咋回事呢?

【地球自转学说】

随着日心说出现,地球绕太阳公转的说法也有了。之后牛顿提出了重力定律,这让我们明白,公转是太阳引力造成的。那么,地球自转又该怎么解释呢?

第一种解释是星云会旋转,咱们的太阳系是由一团星云产生的。在这个过程里,星团中的物质相互碰撞产生反应,出现了很多能量,这就使得星云旋转起来。整个太阳系都是在旋转中形成的,所以,地球从「诞生」起就有自转了。

后来呢,人们用天文望远镜看到有些星云真的有自转的现象。但这个假设也有个解释不通的地方,就是除了「逆子」金星是自东向西自转以外,其他恒星都是从西边开始自转的。

要是星球的自转是星云造成的,那咋所有星球都来自同一片星云,可金星却跟其他星球不一样呢?

角动量积累。

这样一来,就出现了第二个理论,也就是角动量堆积理论。这个假说觉得,一颗星球并非一开始就有自转,公转才是一开始就有的。这颗星球的自转呢,是遭受了无数次的撞击之后,才出现角动量堆积,进而有了自转。

由于碰撞方向不一样,最终的自转是由合力的朝向决定的。就像地球和其他行星碰撞的时候,角动量堆积起来最终是从西向东的走向,可金星在碰撞过程中和地球那些行星不一样,它角动量堆积起来最终是从东向西的走向。

要是这样的话,那就表明行星的自转方向不是固定不变的,只不过太阳系里的行星大多是自西向东自转。而且太空里根本没有气流,所以从理论上讲,任何天体只要一开始就在自转,之后就不可能停止转动。

不过,科学家研究的数据显示,地球的自转速度其实是越来越慢了。这是因为地球的角动量一直在消耗,而消耗最多的是月球,毕竟它是地球唯一的天然卫星。月球虽然比地球小一些,但也重达7350亿亿吨,不可能对地球没影响啊。

在咱们这个星球上,海潮之所以会涨落,就是因为月亮有引力。所以人们才说月亮限制了地球自转呢。

还有一种消耗呢,就是人类「随便」发射到太空里的人造卫星。他们压根没打算回收这些卫星,结果就导致这些卫星一直在地球周边越堆越多。有人估算过,这几年,人类留在宇宙里的人造天体,质量都快赶上一颗小行星了。

并且,地球有引力,一些被扔掉的人造卫星就离大气层特别近,还和大气层有了摩擦,这么一来,地球自转的角动量就变小了。地球自转对地球自己影响可大了,为啥呢?因为洋流和季风都是地球自转产生的。要是地球不自转了,那地球会变成啥样啊,想都不敢想。

所以啊,地球自转速度在放缓,人类得认真对待这个现象。这些假说都是在咱们有了一定知识和设备之后才去推断、推理出来的。那要是没有这些高科技手段,古人知不知道地球在自转呢?这就跟前人的两个理论学说有关了。

【地心说:地球是宇宙的中心】

人类一直都在争论宇宙的中心是什么。到了公元四世纪,亚里士多德才大概给出了这个问题的答案,他说宇宙就像个有好多层的水晶球,地球呢,就在这个水晶球的中心,咱们就生活在地球上。

而地球处于中心,其他天体都在各自不同的轨道上绕着地球转呢。

【日心说:地球围绕太阳运动】

16世纪中叶,波兰有个很出名的天文学家哥白尼,他观察了30年,然后就从根儿上说明地心说是错的。他搞出了个「日心说」,这是一种全新的宇宙学说。哥白尼觉得,太阳才是宇宙的中心,不是地球,除了月亮围着地球转,地球和别的行星都是绕着太阳转的。

哥白尼猜地球是运动的,按照这个猜测能推断出地球在动。等到科技发展到一定水平后,这个猜测得到了一些证实,像开普勒定律、经典物理学之类的都能证实。地球自转和公转慢慢就成了常识。不过在当时,大部分科学家没办法用简单的实验让大家知道地球在动。

直到1851年,法国的物理学家莱昂·傅科在巴黎先贤祠搞了一场公众科学试验,还邀请了各界的名人参加。

【傅科摆实验】

先贤祠在1790年就建成了,法国历史上好多作出巨大贡献的名人都在这里被纪念着。先贤祠有个空心穹顶,七十多公尺高呢,就在这个穹顶下面的厅堂里,傅科做过试验。

他先把一个56公斤重的大摆锤系在一根钢索上,接着把钢索固定到穹顶,让钢索垂直向下,之后在大摆锤下方搁一个六米宽的沙盘,沙盘上有360度的刻度盘,这刻度盘是用来记录大摆锤运行轨迹的。

那么,在这种状况下,大摆锤要怎么移动呀?

当时,在场的大部分人都觉得大摆锤的落点是固定轨道。要是以人作参照,人又不会动,再假设地球是静止的,那大摆锤的运行路线就不会变。可让人吃惊的是,大摆锤一边旋转运动,一边在沙盘上留下的轨迹居然变了!

见这情况,所有人都惊住了。这个实验结果显示地球是在自转呢。为啥这么说呢?因为只有地球不停地转,地表上的东西才都会跟着转动呀。

万神殿顶部挂着个大摆锤,按常理,它会因为惯性一直保持原来的移动轨迹,这是正常的。可它下面的沙盘呢,运动轨迹偏离了原来的位置。这跟「地球静止不动」的看法完全相反。最后,当时的人就确信,地球是在旋转的。

傅科摆头一回让世人看到「地球在自转」的证据。这可是开创性的胜利呢,当时科学仪器和方法都特别简陋,能想出这么简单的实验来证明「地球自转」,真的很不容易。

傅科摆为啥能很好地证明地球自转呢?这里面有啥道理呀?

这个实验分析的关键在于用到的三种主要仪器。第一种是一根又大又会摇摆、长达67公尺的钢丝绳,这67米的长度是为了延长钢丝绳的摇摆时间。

时间一长,精细的观测结果就能更好地展现出来,一些偏移角度的问题也能更好地解决。再来说大摆锤,它重56公斤,这样既能避免空气流动造成阻碍,又能确保垂直摆锤不会有偏差。

最后,傅科发明了一种万向节,这种万向节能保证钢丝绳在不受地球自转影响的情况下自由摇摆。摆锤被拉起开始运动时,它在沙盘上的运动轨迹就偏离了原点,发生了改变。在周围参考物都静止的时候,地球自转就是唯一合理的解释了。

简单来讲,傅科摆的原理呢,就是一个靠惯性来查看「谁在动」的试验。要是大摆锤只受引力作用,那没外力的时候它就会接着动,而且大摆锤被驱动时,会朝着一个方向运动。

现在呢,你就想象一下啊,你站在一个地儿,有个摆锤正在你跟前的平板上匀速移动着。要是地球是静止的,那这个平板肯定不会动啊,可平板上却出现了不一样的转动痕迹。这时候,人也没动,那动的到底是谁呢?

地球在动呢。要是这样的话,那就说明「地球自转」是对的。

人们经过一代又一代的不断探索,一点一点地揭开了科学的奥秘。就拿对地球自转的认知来说吧,这更加证明了一个道理:「怀疑产生事实」。