隨著社會的進步、現代科學技術的發展,人類的認知不滿足于地球表面,把探索的目光延伸到外太空。
探索宇宙
人們發現地球在宇宙自轉的時間已經超過了46億年。這又喚起了人們的“永動之夢”。難道地球環境才是桎梏夢想的枷鎖,“永動”是存在于廣袤無垠的宇宙的。
“永動機”是什么?
46億年來,地球自轉沒有一刻停歇,那地球不就是人類從13世紀追尋到至今的“永動機”嗎。在公元1200年古印度便已經有了“永動機”的設想,并由穿梭各國的阿拉伯人傳到了歐洲。
永動機模型
13世紀的歐洲是一個思想活躍的時代。法國人亨內考構思了一種車輪狀的“永動機”:和普通車輪外形相似,有一個轉動軸和十二個短桿。不同之處在于,每個活動短桿的一端都安裝了一個鐵球。亨內考設想右邊的球產生的轉動力矩比左邊的大,那么輪子就會永遠運動下去。
達芬奇手繪類似永動機的手稿
十六世紀,達·芬奇復刻了這個裝置。通過實驗,他敏銳地發現了這是不可能實現的。通過杠桿平衡原理,我們知道,存在一個點,使左右兩側重物產生的旋轉力矩恰好抵消,輪子便可以達到平衡狀態。
到了十六世紀70年代,意大利斯特爾要充分利用水力,制造一種以水為動力的永動裝置。他設計了一種水輪機:水槽里的水向下流淌,沖擊水輪轉動。水輪帶動齒輪,使汲水器旋轉著把流下的水抽回水槽,開始新一輪的運作。這就是一個看似完美的循環。然而“現實很骨感”。剛開始還會有一些水,回到頂上水槽,水最終都去了下面的蓄水池。
意大利斯特爾的水流永動機
“永動機”自提出以來就飽受非議,但面對“永動之夢”的誘惑,工程師還是決定走上不斷嘗試的道路。有人說用浮力,失敗了;又有人說用電磁力,失敗了;還有人說用細管子的毛細作用,也失敗了。
19世紀中葉能量守恒,20世紀初熱力學定律相繼的誕生,將永動徹底推翻。700年間,出現與永動機相關的設想有兩類。第一類,不僅要對外界持續做攻擊,還需要動力。能量守恒定律很明確的說明,機器不能制造能量,只能讓能量形式發生轉變。
熱力學
熱力第一定律說明:物體從外界吸收的熱量與物體對外界所做功的總和等于物體內能量增加。第二類,注入動力后,使機器的效率達到100%。雖然不違背能量守恒,機械能也可以轉化為內能,但是內能不能100%轉化為機械能。正所謂“樹倒猢猻散”。“永動機”最終成為了一個謬論產物。
地球自轉
1972年,美國的阿波羅17號飛船向地面傳回了一張地球的全景圖。圖中的地球仿佛一顆懸空于宇宙的美麗水球。外表看起來沒有任何外來能量輸入,也能慢慢悠悠地進行自轉。地球的“悠哉游哉”可不是我們普通人散步。地球自轉在赤道上,線速度可是能達到每秒465米,角速度也能達到15°/h。
地球
如果不能切實地感受到地球自轉的速度,那么換一種說法。聲音的速度可以達到1224km/h,經過數學計算轉換成秒,就是340m/s。地球自轉每秒比聲音速度要快100多米,這是很驚人的。人在地球上進行正常的生活工作,便可以不知不覺地“一日八萬里”,這可是有科學依據的。
地球自轉
地球的公轉比地球自轉還要快,能達到29.79km/s(ps:地球公轉不是此節重點,因此不做過多講解)。那么如此快速而又持久的地球運動,它的動力來源于哪里呢?
地球自轉的產生
追根溯源,先來了解太陽系的誕生。太陽系的誕生與一次超新星的爆炸有關。當恒星走向終結,便會劇烈而又明亮的爆炸,這被稱為“超新星爆炸”。大爆炸中,恒星將自己的物質以十分之一的光速拋射出去。這些會慢慢形成新的天體。
超新星爆炸
大約46億年前,太陽系還只是一片在宇宙飄蕩的巨大星云。在星云附近,有一顆末期恒星走向了生命的盡頭。這次超新星爆炸產生的巨大沖擊波,壓迫星云部分開始“引力坍縮”。在引力的作用下,坍縮的中間質量不斷增大,形成了如今太陽系的中心——太陽。太陽以外的物質攤平并組成了原行星盤,逐漸形成了八大行星以及衛星、隕石等構成太陽系的重要天體。
太陽
早期的地球也在這時形成,許多小行星在穿梭宇宙時被地球的引力捕獲,前仆后繼地撞擊地球。科學家研究,早期地球期間還與一個火星大小的忒伊亞行星相撞。這為地球自轉提供了重要的角動量,地球由此開始轉動。
地球是永動機嗎
地球是永動機嗎?答案是否定的。觀察發現,地球自轉的速度正在漸漸地慢下來。太陽系形成之初,地球自轉六小時一周。到了當代則變成了24小時一周。46億年間,地球自轉的周期整整翻了四倍。
地球自轉
地球自轉速度變慢的原因在于:月球和太陽的巨大引力。因為只有外力介入才會導致天體自轉運動的改變。地球被太陽的引力吸引,開始公轉。但是地球與太陽之間不是垂直的,這會引發地球本身的自轉。月球引力對地球自轉也有影響。
地球公轉
千百年來,月球只用同一個面朝向地球,對于這種現象,我們稱之為“潮汐鎖定”。在宇宙空間中,如果一個物體圍繞另一個物體旋轉,那么該物體的公轉和自轉周期與另外一個物體在時間長度上相等。是不是角動量消耗殆盡,地球就會停止自轉呢?不過那該是很久很久以后的事情了,久到人類也看不清自己的未來。
總結
不論是“地球是不是永動機”,還是“永動機不存在”都是不可辯駁的事實,我們要真心實意地接受。地球的未來我們不得而知,我們可以把握好的,是當下。
地球
追求“永動”的先人,在一次次失敗中,揭示了想象與現實之間有著無法跨越的鴻溝。但他們在鴻溝里埋下了希望的種子,讓后人更好地發現未知。我們佩服先人的勇氣,為之震撼。