地球自轉動力從何而來,熱力還是引力?看看月球就明白了

導語

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在地球上,如果沒有動力來源,沒有什麼機器可以一直轉動下去,最終總會停止下來。然而,對於地球本身,它的品質重達6億億億公斤(6×10^24 kg),它自45億年前形成以來,一直在繞地軸自轉和繞太陽公轉。那麼,地球持續轉動的動力來源是什麼?難道地球是永動機?

長久以來,一些人總是夢想著製造出永動機。起先,人們希望通過力矩的變化或者浮力等原理,不需要消耗能源,就能驅動永動機,並能對外做功。但經過數百年的嘗試,這類永動機從未被製造出來。隨著熱力學第一定律的確立,人們認識到了這種永動機違背了能量守恆,所以不可能實現。

此後,人們又嘗試從自然界中捕獲熱量,以此讓永動機轉起來,並能向外輸出功。但同樣地,這類永動機也失敗了。因為根據熱力學第二定律,也就是熵增原理,熱量不會自發地從低溫傳向高溫,或者說熱量無法百分之百轉化為功。

熱力學定律同樣適用於地球,既然永動機無法被人為製造出來,也不能被宇宙製造出來,所以地球也不會是什麼永動機。雖然地球一直在轉動,但它並沒有對外輸出功。那麼,究竟是什麼力量在驅動地球呢?

關於地球轉動的動力來源,需要追溯到地球乃至整個太陽系的形成。距今46億年前,太陽系中並沒有太陽、水星、地球、木星、海王星等一眾天體,只有一團星雲——太陽星雲。它的直徑估計為3光年,其中98%為來自宇宙大爆炸產生的氫氣和氦氣,2%為上一代大品質恒星合成出的重元素。

在原始太陽星雲中,分子與分子之間相互碰撞,總體的角動量不會剛好為零,在某個方向上會有淨值。在中學物理中,我們學過動量,這是相對於平動的概念。如果運動方式是轉動,則對應的是角動量(L),它正比於轉動半徑平方和角速度(L=mr^2ω)。就像動量守恆一樣,角動量也嚴格遵循守恆定律。

在引力的作用下,太陽星雲開始坍縮,大量分子聚集到中心,星雲逐漸扁平化。根據角動量守恆,星雲在最初那個角動量不為零的方向上越轉越快,因為星雲的轉動半徑變得越來越小。舉個例子,一位花樣滑冰運動員伸開雙手原地旋轉,當他把雙手縮回去時,它的旋轉速度會隨之加快。

經過上千萬年的時間,太陽星雲中99.86%物質坍縮到中心,最終啟動了氫核聚變反應,形成了能夠發光發熱的太陽。餘下的物質繞著太陽旋轉,形成原行星盤。

在原行星盤中,塵埃顆粒互相碰撞,結合成更大的微行星。這些天體又繼續互相碰撞,體型變得越來越大,越大的個體能夠吸引更多的物質。最終,幾個「寡頭」勝出,形成了各大行星,這其中就包括地球。

因為角動量始終是守恆的,從原行星盤中形成的地球仍然會繞著太陽旋轉,並且自身還會自轉。正因為如此,太陽系各大天體的自轉和公轉方向大都是一致的,而且還差不多處在同一個平面上。

在幾乎是真空的太空中,地球的轉動基本不會消耗能量,地球的角動量能夠一直保持下去,所以地球能夠靠著慣性不斷轉動。地球的持續轉動不需要一個外加的動力,地球在形成之初已經轉動起來了,它就能一直維持這種運動。

不過,地球的自轉角動量在不斷變小,自轉角速度越來越慢。地球在剛形成時,繞軸自轉一圈只需6小時,恐龍時期延長為21小時,目前為24小時,未來還有可能延長至47天。這背後的原因與月球有關,月球引力對地球形成潮汐作用,這會阻礙地球的自轉,地球的自轉角動量會逐漸轉移給月球。

在宇宙中,天體的自轉和公轉都是非常普遍的,想要保持靜止是不可能的。太陽本身也有自轉,只不過太陽是等離子態,沒有固體表面,不同區域的自轉速度不一樣,太陽的平均自轉週期為27天。

同樣地,太陽也有公轉運動,其繞行中心位於2.6萬光年外的銀河系中心。太陽以大約220公里/秒的速度繞著銀心旋轉,每2.3億年公轉一圈。也就是說,過去46億年來,太陽才公轉了20圈。

結束語

今天的分享到此結束。

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