有什麼方法能直觀地感受到或者親眼看到地球的自轉?

零維立方體

話說“坐地日行八萬裡”,地球在不停自轉,自轉速度還挺快,地球表面線速度接近500米/秒。但是,地球對於人類的尺度還是太大,如果不是到一望無際的海洋,或者飛上萬米高空,都很難感受到地球是圓的這個事實。因此,即便地球自轉速度很快,但要感受到地球的自轉,是需要點科學的思維的。

地球自轉的最直觀的感受,就是太陽每天的東昇西落,在不同的緯度,太陽的升起和落下的時間是不一樣的,前提是要認為太陽是恆星——是地球在動,而不是太陽在動(實際上太陽也在運動)。如果坐上太空飛船,到地球的軌道上去,如果繞地軌道不是同步軌道,就能看到地球的自轉,因為飛船繞地轉動和地球自轉速度不同,每次朝下看的地面是在發生變化的。只是,目前全世界也沒幾個人這麼看過地球的自轉。

如何在地面上直接驗證地球的自轉呢?

1851年,法國科學家傅科就完成了這個實驗。他在法國的先賢祠立了一個巨大的擺錘,擺線的長度67米,擺錘的重量28公斤,這個擺就能驗證地球的自轉,後來被稱之為“傅科擺”。感興趣的,可以去中國科技館、北京天文館、國家授時中心的時間科學館等,一進門都能看到這個巨大的傅科擺。為什麼傅科擺可以驗證地球的自轉? 我們知道,擺是一個週期性運動很好的系統,如果擺動角度足夠小(例如5度以內),擺線受到的摩擦力幾乎忽略不計,擺錘足夠重也就慣性足夠大,以致於空氣阻力也可以忽略不計,那麼這麼又大又重的擺,其週期和擺動平面都是幾乎不變的。傅科正是做到了這幾點,他還在地面設置了一個巨大的圓形沙盤,人們圍著沙盤看擺錘運動。人們發現,經過足夠長的時間,擺錘運動的平面和沙盤的相對角度是在發生變化的!這說明,沙盤和擺錘平面之間存在相對運動,最直接的想法就是沙盤自己在轉動,也就是地球在自轉。因為經歷24小時之後,擺錘平面又恰好回到原點角度!

地球在自轉的證據,也可以從理論上來解釋,那就是科里奧利力的存在。我們知道,對於一個慣性系中物體做勻速運動(速度方向和大小均不變),其軌跡是一條直線。但是如果放到一個旋轉的體系裡面,同樣是勻速運動,其軌跡就是一條曲線。可以等效地認為物體受到旋轉體系的力——科里奧利力來簡單描述這個效果。用最簡單的話來說,假如地球是沒有自轉的,那麼從低緯度到高緯度的勻速運動,就是一條經線,但是因為地球自轉的存在,實際上是一條被扭曲了的經線——像螺旋線一樣。

科里奧利力的存在(本質上的地球自轉,是一種等效力,並不是真實存在的力),可以自然地解釋傅科擺的運動軌跡,如果把擺錘相對沙盤運動的軌跡畫出來,就會發現其中奧妙。在地球科學上,科里奧利力的效應十分明顯,比如河道的一邊往往比另一邊沖刷的更厲害,比如地球上的信風吹的方向在南北半球是不一樣的,熱帶氣旋(颱風或颶風)旋轉的方向在南北半球也是不一樣的(北半球逆時針,南半球順時針)。讀者有心關注一下天氣預報圖片,就會發現這個秘密。至於馬桶中水流方向的選擇,基本上和科里奧利力無關,而是馬桶本身的設計造成的。


飛賊克斯和康德馬特

不知怎樣才能算是題主要的“親眼看到地球的自轉”,要嚴格的親眼看見,或許你需要飛出地球。比如當你站在了月球的正面,由於地球沒有被月球潮汐鎖定,故在月球上能夠看到地球的自轉。

當然了,不飛出地球也能通過一些現象得知地球在自轉。地球在自轉,導致了地球是一個非慣性系,在非慣性系中牛頓運動定律並不成立,可以據此知道地球是在轉動。人類最早用實驗證實地球在轉動用的是一個叫做傅科擺的裝置,傅科懸掛了一個大擺,如果地球不轉,那麼擺來回擺動時的平面會保持固定,實驗卻發現擺動時的平面會旋轉。傅科擺擺動平面的轉動說明了地球是一個非慣性系,地球的轉動由此得到了驗證。

如果不引入慣性力的概念,牛頓運動定律就會在非慣性系中失效。地球由於自轉是一個非慣性系,所以需要引入慣性力的概念。科里奧利力(地轉偏向力)就是一種由於地球自轉引入的慣性力。

科里奧利力的出現就是因為地球會自轉,與科里奧利力相關的現象都可以理解為是地球自轉的證據。根據科里奧利力的公式F= -2mω×v'可知在北半球地面上運動的物體會受到向右的科里奧利力,這樣會導致北半球右側河岸被沖刷的較嚴重,南半球則是左側河岸沖刷的較嚴重。

還有,自由落體的東偏、氣旋、洋流偏轉等現象也與科里奧利力有關。這些現象自然就能夠和地球的自轉牽扯在了一起。

這裡還需要指出一個常見的誤區,很多人誤以為馬桶裡水流旋轉的方向是與科里奧利力有關的,這是錯誤的。科里奧利力很小,根本影響不到馬桶裡水流的方向。在一些赤道線穿過的國家,有人會給遊客表演水流“實驗”索取一些小報酬,“實驗”顯示在赤道的這邊水流順時針,到了赤道的那邊水流就會變成逆時針,在赤道線上則不轉。他們的實驗只不過是在倒水時將水倒在合適的位置,倒在不同的位置能控制水流的方向。如果遊客要求自己倒水試一試,他們會不允許的。


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