如果不存在永動機,那為什麼地球一直在自轉?能量來自於哪裡?

魅力科學君 發佈 2020-05-24T01:39:18+00:00

永動機是人們想像中的一種神奇的機器,它不需要外力的介入或者是只需要一個初始的能量,就可以持續不斷地做功,然而現在的我們都知道,由於能量守恆定律和熱力學定律的限制,這種永動機是不可能存在的。

永動機是人們想像中的一種神奇的機器,它不需要外力的介入或者是只需要一個初始的能量,就可以持續不斷地做功,然而現在的我們都知道,由於能量守恆定律和熱力學定律的限制,這種永動機是不可能存在的。

現在問題就來了,如果不存在永動機,那為什麼地球一直在自轉?能量來自於哪裡呢?

要解釋這個問題就需要扯得比較遠了,話說我們的太陽系原本是一片巨大的星雲,在大約50億年前,這片星雲的引力平衡受到了外力的擾動,於是其中的物質就開始向星雲的引力中心聚集,並最終形成了我們現在所看到的太陽系。


想像一個裝滿了水的浴盆,當我們把它底部的活塞拔掉時,這裡面的水就會在整體上擁有一個角動量,從而形成一個螺旋形的水渦,那讓這些水轉動起來的能量來自哪裡呢?答案就是地球的引力。


太陽系的形成過程也與之類似,因此可以說,地球公轉和自轉的能量其實都是太陽系形成之初的角動量,其本質就是形成太陽系的各種物質引力勢能的釋放,而因為太空中的環境接近真空,地球所受到的阻力微乎其微,所以地球一旦轉動起來,就根本停不下來,這一轉就轉了40多億年。

所以地球的自轉其實是一種慣性的體現,這種現象根本與永動機扯不上關係。需要注意的是,地球的自轉也不是想像中的那樣一直勻速地轉動,這是因為微乎其微的阻力並不等於沒有阻力,事實上,科學家早就注意到地球的自轉一直在減速。


最直接的證據就來自於現代精密儀器的直接測量,測量結果顯示,平均每一年地球的自轉時間就會增加大約17微秒。更多的證據則來自於地質學和古生物學,在潮汐現象的影響下,地球上的海岸線附近就會形成周期性的沉積物,地球上的生物也會因為晝夜交替的現象而表現出與之匹配的生長韻律,通過對遠古疊層石的研究,科學家就可以從中推斷出當時地球的自轉速度。


上圖為相關研究所得出的結果,其中藍色的點代表沉積物記錄的潮汐規律,綠色的點代表藻類的沉積物、紅色的點代表珊瑚和貝殼的化石,紫色的線則為擬合曲線。從中我們可以看到,在過去的日子裡,地球的自轉也是一直在減速,並且從總體上來看,這個減速的過程是比較均勻的。

相信大家一定會比較好奇,既然地球的自轉一直在減速,那未來的地球會停止轉動嗎?下面我們再來講一下。


在太陽系中對地球自轉影響最大的天體就是月球了,這主要分為兩個方面,第一方面是月球的潮汐力始終會讓地球對著月球的這一面的物質向著月球方向微微隆起,這就會對地球的自轉產生阻力。

第二方面是月球一直在遠離地球(目前的觀測數據顯示,月球正在以每年大約3.8厘米的速度遠離地球),而根據地球角動量守恆定律,在這種情況下地球的自轉就會減速。順便講一下,芭蕾舞中有一個經典的動作——「弗維泰轉",就是這種現象的完美體現。


除了月球以外,太陽對地球的自轉也有一定的影響,但這主要體現在潮汐力上,這就意味著,從理論上來講,未來的地球會在月球和太陽的影響下越轉越慢,直到被這兩個天體潮汐鎖定,只用固定的一面來對著這兩個天體。

然而即使被潮汐鎖定了,未來的地球也不會停止轉動,比如說現在的月球早已經被地球潮汐鎖定了,但它還是在自轉,只不過月球自轉一圈的時間剛好與它圍繞地球公轉一圈的時間相等。也就是說,如果地球被月球潮汐鎖定,地球上的一天就相當於現在的一個月,而如果地球被太陽潮汐鎖定,地球上的一天就相當於現在的一年。


需要指出的是,或許我們永遠看不到這樣情景,因為根據相關推算,月球要鎖定地球至少需要100億年,太陽則至少需要500億年,而太陽本身卻撐不了這麼長的時間,在大約50億年後,太陽就會因為其核心的「燃料」耗盡而走向終結,屆時的太陽系也將迎來巨變,或許地球在那個時候就會被膨脹的太陽所吞噬。


好了,今天我們就先講到這裡,歡迎大家關注我們,我們下次再見`

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