书城童书中小学生不可不知的宇宙奥妙
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第67章 为什么我们感觉不到地球在运动

我们都知道,地球绕着太阳转,月亮绕着地球转,而地球也在自转。地球自转一周是一天,绕太阳公转一圈是一年。地球在无声无息地转着,可为什么我们却感觉不到它在转呢?

没有任何方法可以证实一个物体是处在绝对静止之中。绝对静止的物体是不存在的。静止只是一个物体相对于它周围的另一个参照物而言保持位置不变,所以也只能是相对静止和绝对运动,运动和静止是相对的。判断一个物体是在静止中还是在运动中,必须选择合适的参照物。选择的参照物不同,物体的运动状态就不同。在乘坐前行的车船时,我们很容易感觉到车船在动。那么,地球在转动,我们怎么就觉察不到呢?这是因为,当我们乘船在江河里航行时,两岸的景物由于距离船体近,便会见到其迅速向后移动的场景,从而产生船行飞快的感觉。但如果轮船在大海中航行,我们就会见到大海和天空是一样的颜色,没有了距离较近的参照物,便会产生轮船行进很慢的感觉。但实际上,在大海中航行的轮船比在江河中航行的轮船要快得多。

同理,地球这艘航行在宇宙空间中的“航船”,由于宇宙无限大,在地球的两边没有参照物,我们无法用旁边的事物来感受地球是在动的,于是给人一种行进十分迟缓甚至停滞不前的感觉。如果其轨道近处有像江河两岸一样的景物,我们就很容易觉察出地球处于飞速转动中。但是,地球近处没有景物,有的只是远处的星星,而星星又距离我们太遥远了,在短时间里我们不可能进行参照,因此就很难感觉出地球的转动。

这与地球运动有关,惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质。一个物体,只要不受外力作用,原来静止的就会一直静止下去,而原来运动的则会一直做匀速直线运动。重力并不等于地球对物体的引力。由于地球本身的自转,除了两极以外,地面上其他地点的物体,都随着地球一起,围绕地轴做近似匀速圆周运动,这就需要有垂直指向地轴的向心力,这个向心力只能由地球对物体的引力来提供。我们可以把地球对物体的引力分解为两个分力:一个分力叫向心力,方向指向地轴,大小等于物体绕地轴做近似匀速圆周运动所需的向心力;另一个分力是重力。

古时候的人一直以为大地是宇宙的中心,太阳和月亮都围绕地球在转,从而把太阳和地球的关系弄颠倒了。直到1543年,波兰有个天文学家哥白尼提出“日心说”,把颠倒了几千年的太阳和地球关系重新颠倒过来时,人们当时还不敢相信,提出了一系列问题来为难天文学家哥白尼。

比如,“地心说”的维护者对哥白尼提出很多质疑:(1)如果地球是转动的,那么当我们凌空跃起再落下时,不就应该离开原来的位置了吗?(2)天上的白云、气球和飞鸟不就被丢到后面去了吗?(3)在赤道上空只要停留1秒钟,不是就会向西边落后464米;停留1小时,不是就会向西边落后1670千米了吗?(4)如果乘坐气球,只要在空中漂泊几个小时,不就从欧洲落到了美洲吗?(5)有人还自作聪明地说,“如果地球自转,那么斑鸠就不敢出巢飞翔了,因为转眼间它便看不到自己的巢穴和小斑鸠了。”

这些质疑在当时的科学发展条件下,使支持“日心说”的人有口难辩,并且也不能说这些只从物体相对运动道理出发的质疑是错误的,只是他们不知道静止的东西是相对静止的,运动着的物体是永远运动的道理,不知道地球上的生物圈层和大气圈层同样是地球的组成部分,强大的地球吸引力把生物圈层和大气圈层一齐牢牢地带动着转动,因而他们的质疑归根到底是不成立的。

知识链接:为什么卫星能够绕着地球飞行

人造卫星是绕地球旋转的。根据牛顿的万有引力定律,如果地球对它周围的物体产生引力,由于地球本身质量太大,所以引力也会很大,就会将它周围的卫星拉向自己。也就是说如果卫星没有其他力的帮助,它最终会落到地球上。然而,物理学的原理告诉我们,如果一个物体旋转时,要有向心力的支持,而当人造卫星绕地球转动时,二者之间的万有引力恰好提供了向心力,都用到卫星旋转上了,也就不会把卫星拉到地面了。当然卫星是按一定速度旋转的,并不是任何速度都可以的,在这个速度下,万有引力恰好全部转化为向心力。如果我们把地球看成一个均质的球体,它的引力场即为中心力场,其质心为引力中心。那么,要使人造地球卫星(简称卫星)在这个中心力场中作圆周运动,就是要使卫星飞行的离心加速度所形成的力(离心惯性),正好抵消(或平衡)地心引力。这时,卫星飞行的水平速度叫第一宇宙速度,即环绕速度。反过来说,卫星只要获得这一水平方向的速度后,不需要再加动力就可以环绕地球飞行。这时卫星的飞行轨迹叫卫星轨道。卫星轨道平面通过地球中心。如果速度稍大一些,则形成椭圆形轨道;如果达到逃逸速度,则为抛物线轨道,那时它将绕太阳飞行成为人造行星;如果达到第三宇宙速度,则为双曲线轨道,与太阳一样而绕银河系中心飞行。

就人造地球卫星来说,其轨道按高度分为低轨道和高轨道,按地球自转方向分为顺行轨道和逆行轨道。这中间有一些特殊意义的轨道,如赤道轨道、地球同步轨道、对地静止轨道、极地轨道和太阳同步轨道等。

卫星轨道的形状和大小是由长轴和短轴决定的,而交点角Ω、近地点幅角ω和轨道倾角则决定轨道在空间的方位。这五个参数称为卫星轨道要素(根数)。有时还包括近地点时刻,合称为六要素。有了这六要素,就可知道任何时刻卫星在空间的位置。高低轨道没有明确的划分界限,一般把离地面几百千米的卫星轨道称为低地球轨道。如果轨道倾角为零,轨道平面与地球赤道平面重合,则这种轨道叫赤道轨道。

轨道高度为35786千米时,卫星的运行周期和地球的自转周期相同,这种轨道叫地球同步轨道。如果地球同步轨道的倾角为零,则卫星正好在地球赤道上空,以与地球自转相同的角速度绕地球飞行,从地面上看,好像是静止的,这种卫星轨道就叫对地静止轨道,它是地球同步轨道的特例。对地静止轨道只有一条,即轨道倾角为90°时,轨道平面通过地球两极,所以这种轨道叫极地轨道。

如果卫星的轨道平面绕地球自转轴的旋转方向、角速度与地球绕太阳公转的方向和角速度相同,则它的轨道叫太阳同步轨道。太阳同步轨道为逆行轨道,倾角大于90°。

1970年4月24日21时35分,在甘肃酒泉东风靶场成功发送了“东方红一号”卫星。由此开创了中国航天史的******,使中国成为继苏、美、法、日之后世界第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。