正文 第五講 離心力與慣性

↓1.軸與極、地球與緯圈。

↓2.倒置過來卻不漏水的杯子、由於轉動而綳斷的繩子、離心力。

↓3.油球、轉動的液體球的變形。

↓4.兩極的扁平與赤道的鼓起、地球原初是液體狀態。

↓5.離心力與地球引力的對抗。

↓6.重力消失了的世界。

↓7.靜止不動的死亡地球。

↓8.路邊的石子。

↓9.慣性。

↓10.轉動的車輪、永遠保持同樣機械自轉力的地球、地球轉動的恆定性。

↓1.如果我們願意,我們可以用一個橘子來演示地球的轉動。首先用一根針穿過橘子,讓它繞著這根針轉動。我們將這根針稱為軸,並將針穿過橘皮而留下的兩個針眼稱為兩個極。現在我們可以藉助於我們的理智,我們假設地球就像一隻橘子,它被這樣的一根長針穿過,並圍繞著這根針日夜不停地旋轉。這樣一根純粹想像中的針,就跟穿過橘子的實際的長針一樣,也稱為軸。這根軸穿過地球表面上的兩個點,叫做兩極。我們據此將地球軸定義為一條想像中的線,地球圍繞著它日夜旋轉;並將極定義為軸穿過地球表面上的兩個點。

我們再來看看前面所說的橘子,讓它圍繞著針轉動。橘子表面上的每一個點都沿著垂直於針的圓圈而轉動,有的圓大一些,有的圓小一些,它們的大小取決於該點離兩極的距離。在兩極處,圓圈大小就是零。點越是靠近橘子的中間部分,這個圓圈就會越大。在橘子的中間部分,那些點到兩極的距離相等,它們所經過的圓圈是最大的。這同樣可以用來解釋地球。地球表面上的各個點,沿著大小不一的圓圈而轉動。到兩極距離相等的那些點,它們轉動的圓圈是最大的,我們將該圓圈稱為赤道。其他的點所形成的那些圓,都稱為緯圈。點越是靠近兩個極,那它們所形成的那些圓就越小。由地球上的點圍繞著軸轉動而形成的這些圓,也即赤道和緯圈,為了將它們解釋清楚,我們假定它們在地球上是有印跡的。由此我們將赤道定義為:一個與兩極距離相等的大圓;並將緯圈定義為:諸多與赤道平行的小圓。很顯然,赤道只有一個。它將地球分成兩個相等的部分,即兩個半球,我們所處的這邊是北半球,而另外一邊是南半球。而緯圈卻有無數個,只要我們願意,我們就可以在地球表面上找到無數個緯圈。它們中的每一個都將地球分成兩個不相等的部分。所有的赤道和緯圈都垂直於軸,它們的中心都在軸上。但是它們都是我們所想像出來的,我們千萬不要認為它們是實際存在著的,要不地球就成用箍箍著的木桶一樣了。

↓2.到現在為止,儘管地球表面稍有不平整,但我們還是一直把地球看成一個球體。然而這並不完全是正確的。嚴格來說,地球在赤道處稍有鼓起,而在兩極處稍為扁平。在赤道處的地球半徑跟在兩極處的地球半徑之間,兩者相差21千米。這種差距,在一個直徑為兩米的球上體現出來只有不到3毫米,這是肉眼所不能看到的。因此赤道的鼓起與兩極的扁平,並不會改變人們認為地球是球形的這種感覺。

赤道與兩極的這種輕微的不一致性,是由於地球的自轉引起的。我們通過做一些實驗就可以清楚地證明這一點。在一根繩子的一端緊緊地系著一個杯子,杯子裡面裝著半杯水。然後就像玩投石器一樣用手掄上一圈,如圖24所示。在轉的過程中,杯子要麼是倒著的,要麼是或多或少有點傾斜的。但是,如果我們掄動的速度足夠快,不管杯子是倒著的還是傾斜的,杯子裡面的水都不會流出一滴來。相反,水會一直留在杯底,就彷彿被某種東西用力壓住一樣。如果杯子在轉動的時候停留在最高點處倒立不動的話,很明顯杯子里的水會流出來。這樣看來,正是這種旋轉運動把倒立著的杯子里的水壓在杯底了。

把一塊石頭拴在一根繩子的一端並掄著它飛快地旋轉。如果你把石頭掄得越來越快,難道你感覺不到繩子會拉得越來越緊嗎?繼續加快旋轉,但是注意千萬不要碰到你附近的人;再繼續加速!……突然!由於拉緊的力繼續增大,繩子斷了,石頭就飛出去了。在轉動過程中,石頭是以手為中心轉動的,它使勁要逃離手,這樣,它就拉緊了繩子。當這種努力達到某種強度時,繩子由於被拉得太緊,最後就斷掉了。因此,所有處於旋轉運動中的物體,由於這種旋轉運動,會受到一種特殊的力,這種特殊的力會拉緊並試圖逃離該物體圍繞著轉動的那個點。我們把由旋轉運動而產生的這種力稱為離心力。物體的旋轉速度越大,這種離心力就會越大。正是由於這種離心力,水才會被壓在快速旋轉杯子的杯底,即使杯子倒置或者傾斜,水都不會流出來。也正是這種離心力,它使得帶有石頭的繩子繃緊,當石頭的轉動速度足夠大時,繩子就會斷掉。

↓3.離心力會使得一個繞軸轉動的球變形,在它的兩極會變得更扁平一些,而在赤道則會鼓起一些。當然,在這種情形下,球要足夠柔軟,以經得起這種旋轉運動所產生的拉扯。為了證明這樣一個事實,我們首先要找到一個具有上述柔軟度的小球。如果我們在水中倒入油,油會浮起來,但如果在酒精中倒入油,油則會沉入底部。這是因為,油比水要輕,而比酒精要重。但如果將油倒入水與酒精的混合物中,那麼油將會懸浮在混合液的中間部分,形成一個像蘋果那樣大小的美麗的球體,如圖25所示。這個油球輕輕地漂浮在混合液的中間,這一景象使我們嘆為觀止。由此我們馬上想到了地球,這是一個懸浮在空中的巨大球體。我們假設有一根長針從油球的中間穿過,通過鐘錶機械裝置使這根長針飛快而平穩地自轉,由於摩擦力的影響,長針漸漸地帶動油球,使後者也做起了旋轉運動,就彷彿它們是同一個物體一樣。一旦油球轉動起來的時候,我們馬上就會看到,在針穿過的兩端,即它的兩極部分,會變得扁平一些;而在球的中間部分,即赤道部分,則會變得鼓起來一些。如圖26所示。另外,油球轉動的速度越快,兩極的扁平與赤道的鼓起就會變得更加明顯。如果球是用堅硬並具有一定抗力的材料做成的,那麼就不會有這樣的情況出現,這是因為,這樣的材料不具有能被離心力拉扯而變形所需的柔軟性。

↓4.因此,液體球圍繞它的軸轉動時會變形。要理解這樣一個事實,這並不困難。事實上,赤道上的那些,它們轉動的速度是最大的,因為它們構成的圓是最大的;而位於兩極上的點,則是不動的。對於前者而言,離心力是最大的;而對於後者來說,離心力等於零。因此,赤道上的每個質點,由於受到推動它們的離心力的影響,則會努力逃離軸,但還能使得球上的各個質點相互聚集在一起。由於赤道上的質點做飛快的脫離運動,在整個球體上產生了空隙,這個空隙就會被周圍的物質所填充,由此造成離心力不能發揮作用的區域即兩極的扁平。

地球並不像我們剛才所描述的那個油球一樣是個液體球,但海水覆蓋了地球表面的四分之三地方,我們應該考慮到地球上這個液體的部分,以此來解釋地球受離心力會有多大影響。因此,由於地球繞軸旋轉,海洋便會改變原有的形狀。受離心力的影響,在地球兩極處會變得扁平,而在赤道處則會鼓起20千米左右。此外,由幾何學測量表明,在陸地上也產生了同樣的變形,那麼這說明,地球可能在一開始完全是液體的;而隨著時間的慢慢推移,地球便固化了,並保持了離心力施加給它的形狀。對地球所進行的細緻研究揭示了這樣一個可能的事實:那些構成大陸基底的堅硬岩石,在古代實際上都是液體,就像在高爐里熔化的那些鐵水一樣的液體。這證明,構成大山的那些物質,在高高聳立於雲端之前,實際上是熔解的在汪洋大海的一部分礦物。

↓5.離心力趨向於使得地球表面的物體遠離地球,而引力卻趨向於使它們保持在原來的位置。因此,這兩種相反的趨勢是相互對抗的,但是因為引力要更強一些,所以物體還是在地球表面上保持靜止。或者,即使它暫時離開原來的位置,下落之後還是要返回地球的。但是我們可以想像,倘若地球轉動的速度足夠大,那麼離心力是可以等效於引力的,甚至可以比後者更強。因為我們知道,離心力是隨著轉動速度的加快而不斷增大的。計算表明:如果地球繞軸旋轉的速度增大至目前的17倍,也就是說一小時零25分鐘而非24小時就轉上一圈,那麼由於轉動速度在赤道上是最快的,在那兒離心力就跟地球引力相等,而物體在地球上的那片區域內就不會下落。如果我們在那個地方把一塊石頭拿起,然後鬆開手,它就會無需任何支撐地停在空中而不落下,這時,地球對它的引力與旋轉所產生的離心力會相互抵消。在這種情況下,液體也不會繼續流動:如果我們把一隻杯子裝滿水,然後把它倒過來,杯子裡面的水也不會流出來。這就像我們在前面學到過的那樣,把一杯水放在投石器上然後掄動它,杯子里的水也不會流出來一樣。在這種情況下,物體的重量也沒有了,抬起一座大山跟拿起一顆小石塊是一樣

上一章目錄+書簽下一頁