03.03 地球自转的速度如此之快,是什么力量让地球保持这么高的自转速度?

功夫猫14


答:地球自转的动能,来自于地球形成前太阳系原始星云的引力势能。


我们地球有45.5亿年的历史,目前每23小时56分4秒自转一圈,在赤道处的自转线速度高达460米每秒;根据转动动能公式进行估算,地球自转的动能高达2*10^29焦耳,相当于2500万亿颗广岛原子弹释放的能量。

如此高的能量,那么地球的自转动能来自于哪里呢?


在46亿年之前,一颗大质量恒星经过超新星爆发后,形成一个跨度数光年的星云;星云在自身引力的作用下,结构是非常不稳定的,然后一部分星云朝着质量中心进行塌缩,这个塌缩的星云既是太阳系原始星云。

塌缩后最终形成了我们的太阳系,在质量集中的地方形成了太阳,周围的残余物质形成了各大行星,也包括我们地球。


太阳系原始星云的密度非常低,大约每立方厘米只有几千个气体分子,但是数光年范围的星云质量就不能忽略了,引力势能也是非常大的。

在星云塌缩过程中,星云的引力势能逐渐转化为气体分子的动能,在气体分子相互碰撞过程中,部分动能转化为内能(热能);于是在地球形成时,地球原始物质的动能,使得地球有一个角动量。


据估计,地球在刚形成时,大约每6小时自转一圈;生物化石中的证据显示,在5亿年前的寒武纪,地球自转周期大约为21小时;目前地球的自转周期,是23小时56分4秒。

可以看到,地球的自转速度在减慢,大约每过2.5亿年,自转周期会延长1小时;这是因为月球的潮汐作用,使得海水和地球固态表面产生内摩擦,然后消耗掉地球的自转动能,使地球自转速度减慢。

但同时,地月系统的角动量守恒,也会导致月球逐渐远离地球,大约每年远离地球3.8厘米,虽然短时间内看不出变化,但是数亿年后,月球的远离对地球的影响就会显现出来。


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1. 地球自转的速度并不快

地球一天自转一周(严格来说自转周期是23时56分4秒),这个速度并不快。想想我们的钟表,秒针那是60秒就转一圈啊,比地球自转快多了。

觉得地球速度快,可能是从地球表面的线速度来说的。当然,地球表面线速度并不一致,而是与纬度有关,两极速度为0,赤道处最快:

  • 根据圆的周长公式,赤道长度L=2πr=2×3.14×6400km=40192km

  • 地球自转一圈是24小时

  • 赤道处的线速度:v=L/t=40192km/24h=465m/s

线速度465.18m/s算快吗?这个还真不好说,因为快慢都是相对的。这个速度比刘翔、博尔特快是肯定的,比声音在空气中传播的速度(约为340m/s)也要快一些,但跟步枪子弹的速度(700~850m/s)相比,就不能算快了。要跟天上的卫星比,那就更慢了。

2. 什么力量保持地球自转

地球自转并不需要额外的力量保持。打个比方,我们玩陀螺时,陀螺转一会就停下来了,那是因为有摩擦力(陀螺尖与接触面的摩擦,陀螺在空气中转动与空气的摩擦)。如果没有了摩擦力,陀螺将一直转动下去。地球就可以看成是宇宙背景中一粒悬浮的陀螺,被一个鞭子抽一下转起来后,就再也停不下来了。

那么问题来了,最初那一鞭子哪儿来的?这个就涉及到地球起源、甚至是太阳系起源问题了。可以简单概括为,太阳系的一团物质,在引力作用下聚集形成各个行星的过程中,各个方向上的受力不平衡,使物体有了最初的角动量。

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砖业科普稻壳张


宇宙中所有天体都在公转,有公转必有自转,公转是自转的动力源泉!

以地球为例:太阳在公转的同时,通过万有引力对地球有牵引、甩转、加速作用。并为地球公转提供动力,从而克服太空阻力绕太阳周而复始的公转。

地球获得能量,绕太阳公转的同时。由万有引力公式:F引=GMm/r²可以得出,太阳对地球引力作用点不在地球质量中心点o,而是偏向太阳一边的内侧点g,而地球公转惯性力作用点在质量中心点0,二者作用点不同,方向不同,从而促使地球自转。并且随着地球的自转,太阳对它的引力作用点g会不断移动,轨迹呈封闭的圆环形,整个作用力过程和儿童玩耍时用皮鞭抽打骆驼一个道理!

因此,太阳公转时甩转了地球,地球公转时又带动了自身自转,运动能量都来源于太阳的公转!

以此类推,宇宙中天体、星系环环相扣,级级相连,能量传递和运动不过如此。终极动力则来源于宇宙星系循环演变过程!

详细论述辩证可参阅<原创新观点之一:甩转假说>和<原创新观点之五:宇宙模型假说>。





青山绿水250400698


很多人对于“力”是什么、有什么作用完全不明白。

物体的运动状态改变才需要力的作用,比如说物体要加速、要改变方向、要减速,等等,总之一个物体运动状态不变的时候,不需要“力”来维持。这就是所谓的牛顿第一定律:

牛顿第一运动定律(Newton's first law of motion):除非有外力施加,物体的运动速度不会改变。根据这定律,假设没有任何外力施加或所施加的外力之和为零,则运动中物体总保持匀速直线运动状态,静止物体总保持静止状态。物体所显示出的维持运动状态不变的这性质称为惯性。所以,这定律又称为惯性定律。物体的惯性与其质量有关。


因此,如果只考虑地球的自转过程,其运动状态是保持不变的,所以不需要什么“力量”来让地球“保持”自转速度。物体的自转不需要力来保持。

有人说,为什么我玩打陀螺的时候,就必须要不停地鞭打陀螺、让他保持转动呢?【如下图所示】这是因为在地球表面上,你玩儿的这个陀螺受到地面传来的阻力作用,因此会越转越慢,需要你用鞭子来抽打让陀螺保持旋转。而在理想状态下,地球在真空中不受到这种阻力作用,自然就不需要外部有谁来让地球维持转动了。

地球开始高速自转,起源于数十亿年前的一次撞击。

根据科学家推测,在数十亿年前有一颗被称为忒伊亚的小行星撞击地球,这次撞击不仅使地球倾斜,同时还使得地球开始高速自转,甚至月球也是在这次撞击中诞生的【如下图所示】。

而且由于潮汐力的原因,地球的自转速度是越来越慢的,大概是每一百年自转一圈的时间就变长1.7ms,所以在未来的某一天,地球的自转速度会变成一年才自转一圈,也就是被潮汐锁定了。


航小北的日常科普


地球有多少旋转动能?

(有些数学计算,但没有特别繁杂。)

地球当然有旋转动能。 难以想象的数字! 众所周知,地球的转动惯量(称为I)为8.070*1037 kg-m2。它每天旋转一次,因此它以6.2832 / 86164.09弧度/秒(称为ω)的速率转动。地球的旋转动能是1/2 *(I)[旋转惯性*这个速率的平方。做这个数学运算给我们2.145619327 * 1029 kg-m2/s2(或牛顿米)。公布的值为2.137*1029,基本相同。 这个能量单位也称为焦耳或瓦特秒。 我想在这里指出,地球的“旋转能量”大约是所有美国人一整年的电力使用总量的六亿五千万倍! 并且至少有十亿倍于人类创造和使用的所有能量!

现在说,在1000年的时间里,地球的旋转以某种方式每天减少0.0007秒(而不是由于月亮和海洋潮汐的影响)。而不是一天是当前的86164.09秒,它将是86164.0907秒长,这是一个绝对不明显的效果。(特别是如果它只发生得如此缓慢以至于花了一千年!)上面地球旋转计算的动能将是相同的,除了我们现在使用86164.0907并且地球的旋转动能将是2.145619292 * 1029 kg-m2 / s2(在那一千年之后)。

物理学的基本定律是能量必须是守恒的。通过逐渐减慢一小段时间,一个不显着的效果,一个没有任何后果的地球,地球将不得不放弃这两个能量总和的差异,即3.6*1021 kg-m2/s2或者3.6*1021焦耳。焦耳是瓦特秒。要将其转换为kWh,只需将3600秒/小时和1000瓦/ kW或360万转换为1.0*10的15次方kWh。

这与上面计算的一千年来所有美国人的总用电量相同! 因此,如果我们能够弄清楚如何减缓地球的自转速度,使一天的长度不到千分之一秒,那么我们所有人都可以拥有一千年无限的电力!

地球为什么自转?

如果你看过宇航员在外太空拍的任何一部电影,你就知道地球是自转的。它旋转得如此之慢,以至于住在这里,我们甚至没有注意到它。自旋方向是逆时针的(与时钟方向相反),有趣的是:我们太阳系中几乎所有的行星都在同一个方向自旋。

要了解地球为何自转,我们必须回到过去,看看太阳系是如何形成的。

在宇宙的深处,气体和尘埃云形成了所谓的星云。这些是星体的诞生地。当它们旋转时,灰尘聚集在一起,压力就会增加。就像摇动汽水罐一样,当压力释放时,它就会喷出来。就星云而言,它可以产生恒星。人们还认为,只有发生特殊的事件,比如另一颗新星爆炸,才能最终把所有东西都爆炸掉。爆炸产生了恒星和所有的尘埃。

有如此多的尘埃聚集在一起,碎片开始相互撞击,最终形成小行星,这些小行星被旋转恒星的引力拉了进去。这一过程持续了数十亿年,所有的东西都在碰撞。当小行星撞击并粘在一起时,就会形成越来越大的碎片,而所有这些碎片都在朝着同一个方向旋转。

还记得那颗星体吗?嗯,它有重力,慢慢地把所有的小行星、灰尘、灰尘和其他东西都拉向它。这个过程会产生更多的碰撞,直到最终形成行星。在几乎所有的情况下,即使是相互碰撞也不会改变它们旋转的方向。这就是爆炸的威力。处于这一切混乱中心的恒星,正在成为未来的太阳。但它还没有完全安定下来。

在这段时间里,未来的行星围绕着这颗新的太阳运行,但情况仍然很不稳定。当它们冷却并旋转时,它们也会相互碰撞,形成更大的行星,剩下的部分将形成卫星。太阳的引力还会持续几十亿年,直到行星围绕太阳旋转,为彼此留下足够的空间,使它们不会碰撞。

如果我们已经出了宇宙飞船,看着所有这一切发生,我们会注意到所有的行星仍然在同一原始方向旋转。 有些旋转速度比其他旋转得快,但所有旋转都在自己的路径上围绕太阳旋转。 我们还会看到行星周围的各种卫星。 它们可以在与行星相同的方向旋转或完全相反,因为它们是在原始爆炸后产生的。

所以我们可以说地球正在旋转,因为它是爆炸的一部分,导致我们的太阳和太阳系诞生,爆炸是如此令人难以置信,以至于它保持了行星的旋转。 由于没有什么可以阻止它,地球将继续旋转


科学先驰


如今地球已经诞生了45亿年左右,这45亿年时间里,地球一直在不停地转动着,不但围绕自转轴自转,也在围绕太阳系公转!

而对于为何地球在长达45亿年的时间里一直在转动,很多人并不知晓,那么到底是什么样的力量让如此庞大的地球一直转个不停呢?

简单回答,大自然的力量!

追根溯源,还要先看看太阳系形成之初,太阳系形成的根源当然源自最具统治力的太阳的形成。

太阳是如何形成的?简单说,宇宙间的气体云和尘埃分子分布的不平衡,还有温度密度的不同造成的引力差异!

理论上,如果物质间引力没有差异,物质就不会距离,而如果物质间哪怕有一点点的引力差异,随着时间的积累,物质就会逐渐向引力强的地方聚集,造成某个地方的引力越来越大,大到一定程度,物质(通常是气体云分子,以氢和氦为主)在强大引力的作用下发生坍缩,核聚变开始了,一颗恒星诞生了!

恒星的诞生过程通常会发生旋转,这种旋转的力量就是未来地球自转的力量源泉,因为角动量守恒定律,太阳把一部分角动量分配给了未来形成行星原材料的尘埃和气体云分子,这些物质在形成行星的过程中也会发生旋转!

地球对于人类来说就是一切,地球的力量是如此巨大,以至于我们不敢想象还有什么力量能让地球转动呢?殊不知,地球在浩瀚宇宙中就是沧海一粟,太渺小了,大自然能轻松让地球转动,一点也不奇怪!


宇宙探索


地球自转的速度如此之快,是什么力量让地球保持这么高的自转速度?

宇宙中的天体都在不断的运动中,除了其公转运动之外还有一个自身的自转运动,但无论是公转还是自转,无一例外都继承与天体形成之初的星云的运动,我们来简单了解下星云的运动是如何被恒星和行星所继承的!

上图是太阳系从原始星云中形成的过程,从上千万年甚至数亿年的历史浓缩成了几秒的动图,尽管可能有些粗糙,但基本就是如此,因为太阳系诞生于上一颗恒星超新星爆发后的尘埃云!这一点似乎没有疑问,如果各位有疑问的话可以了解下地球上的这些元素是怎么来的,因为只有能超新星爆发的恒星才能形成如此众多的元素!不过我们今天主要是讨论这个星云为什么会转起来!

我们可以从上图来分析下星云为何会转动起来!开玩笑的时候我们可以说“上帝推了它一把”,但讨论科学问题时却不能!我们简单的分析下被质心捕获的尘埃的运动轨迹:

左图:1、尘埃云受到质心的引力作用会向质心运动;2、理论轨迹是尘埃直接掉落质心;3、但尘埃在实际运动中会受到左右其他尘埃的引力相互作用而偏离质心!

中图:到了质心附近时尘埃已经积累的一定的速度,其运动速度遵守引力影响,如果尘埃的运动速度没有超过质心的逃逸速度时,在其附近经过会被质心捕获,成为环绕其运动的尘埃,如果尘埃速度小于环绕速度,那么其将掉落质心,成为行星成长的材料!

右图:如果掉落的尘埃大于质心的逃逸速度,那么尘埃将逃离质心成为自由尘埃!

这三张图表示了尘埃盘是如何转动起来的,从转动的尘埃盘成长起来的质心会继承尘埃盘的运动属性,内核也会继承尘埃盘的引力坍缩能,成为炽热的内核热量来源!

太阳作为奥尔特云尘埃盘的中心,太阳是自转的!而地球则是太阳这个巨大星云盘上成长起来的部分,也是由最小的质心成长为行星的,很显然它也继承了星云盘公转和自转属性!

太阳系原始星云盘上的行星积盘,因此行星的转动属性是从“娘胎”里带出来的!而地球的自转同样如此,而且在诞生早期,地球的自转速度更快,比如诞生之初也许就只有6-8小时自转一周,在5亿年前的寒武纪时代速度下降到21小时自转一周,现在地球自转周期是23小时56分4秒,未来地球自转速度将会继续下降!

影响地球自转的因素主要是地月系角动量守恒以及月球对地球的潮汐引力作用,但这个作用的自转减速作用非常缓慢,以百年为单位的生命纪年内,甚至你都难以察觉!当然地球的自转速度在太阳系里不是最快的,当然它也不是最慢的!

太阳系中自转最快的是木星,14万千米直径的只要9.8小时就能转一周,而最慢的则是金星,243天才自转一周,而金星的一年才224天,自转比公转还要慢,即一天比一年还要长!


星辰大海路上的种花家


地球自转的速度快?快和慢没有严格的界限,地球自转是快还是慢只能仁者见仁智者见智了。在我看来地球的自转并不快,一天才自转一圈,算不上快。宇宙中的中子星,有些一秒钟就能自转好几百圈,地球比它差了好几个数量级。

如不借助日月星辰的东升西落,人们很难意识到地球在自转。地球的自转会引起一些变化,但人类平日里不会意识到地球在自转,就是因为地球自转的角速度非常小。地球的自转使得地球是一个非惯性系,这样研究物体的运动时应考虑科里奥利力等惯性力。然而,就是因为地球自转的角速度太小了,平常研究物体的运动时完全可以把地球当做是一个惯性系,只有在一些比较特殊的情况下才考虑科里奥利力等惯性力。


至于地球为什么会自转,这在它形成时期就已注定了。在地球形成初期,大量的物质依靠万有引力聚集在一起,物质聚集时各方向上的动量不能完全抵消,这样星球在形成时就有了一定的角动量。星球在太空中运行时几乎不受阻力,外力矩几乎为零,故可认为角动量守恒。所以几十亿年来能够一直自转。

恒星也一样,一些恒星进入生命的最后阶段时会塌缩成中子星(脉冲星)。为什么中子星的自转周期很短?也是和角动量守恒有关。中子星的密度非常大,半径很小,根据角动量守恒,半径小了,转动的角速度就会增大。故中子星可以自转的非常快。



刁博


地球自转速度的快和慢是相对的,没有参照物的话,我们无法评判说地球是自转得快还是慢,如果相对于月球、金星和水星来说的话,那么地球的自转速度是相当快的,因为月球自转一周需要一个月,金星自转一周需要243天,比它公转一圈时间(224.7天)还长,水星自转一周需要58.6天,它公转一周才87.9天。


而如果相对于木星和土星来说的话,地球的自转速度又太慢了,这两颗星球都比地球大得多,木星的体积是地球的1300倍,然而它自转一周只需要9小时50分,土星自转一周也只需要10小时14分,它的体积则是地球的745倍,可以说都比地球自转快的多,就连天王星自转一周也只需要17小时14分,而它的体积却是地球的65倍,所以和它们比起来,地球的自转又太慢了。

这是因为行星或者卫星的自转有这样一个趋势,就是两个天体之间的质量差别越大,两者距离越近,那么小型天体就越容易被大型天体的引力潮汐锁定,使之失去自行自转,只能以一面向着大型天体,在公转一圈的同时自转一圈,比如月球围绕地球公转就是这样。



水星和金星都距离太阳比较近,而且它们又都没有卫星,所以它们的自转趋势是倾向于和公转同步的,这正是它们这段比较慢的一个主要原因。

地球的自转比较特殊,按现有条件来看,它不应该自转这么快,月球的存在也会降低地球自转的速度,所以天文学家们认为,地球的自转很可能是早先遭遇大型天体撞击造成的,而且撞击在造成自转加速的同时还造成了地轴的偏转。


不过地球的自转速度一直在变慢,地球形成之初的自转速度曾经是八小时自转一圈,也就是说那时候的地球一天只有八个小时,后来时间渐渐加长,特别是月亮的存在,一直在拉低着地球的自转速度,导致如今地球自转一圈的速度为23小时59分03秒,而且这个时间以后还会被延长。


科普大世界


这就是惯性本能,原始的星盘的转动惯量聚集而成,而星盘的转动又是引力的相互作用形成的,在没有阻力的真空中旋转的陀螺将永远转动下去


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