在家坐著也每秒移動幾百米,然而你自己卻感覺不到,傅科擺卻知道

2021-01-13 表象的本質

我們都知道,地球是在不斷轉動的,以平均每小時15度的角速度自轉,在赤道位置的自轉線速度約465米/秒。

然而為什麼我們完全感覺不到?答案很簡單,這是參照系的選擇問題。

就像我們坐火車,站臺上的人可以很明顯的看到,火車上的人在快速運動。而火車上的人卻覺得自己是靜止不動的,但是可以看到車外的景色的快速倒退。常識告訴我們,車外的景色是不會移動的,於是我們意識到這是所乘的火車在移動,景色移動得越快,表明火車運動得越快。

把地球看做宇宙間的火車,如果在它運行的軌道旁也有快速移動的景色,我們就很能容易感覺到地球的運動了。可近處沒有這樣的東西,只有遠處的星星似乎可以幫助我們,但星星離我們實在太遠了,在短時間裡,由於我們沒有可以對照的外界事物,因此很難感覺出地球的轉動。而且,我們周圍的一切物體,就像火車中的空氣,地球的大氣和海洋也與我們一樣隨地球一起轉動。

如果火車加速或者減速,我們可以感受到對我們身體造成的力。這是因為物理學的基本定律,力等於質量乘以加速度。火車以勻速運動時,加速度為零,我們也就感覺不到有力施加在身體上。但是在火車加速或者減速,加速度發生變化時,我們就會明顯感覺到。

同樣的道理,我們的地球轉動速度如果有明顯的變化,那麼我們也可以感受到地球的轉動。不過可惜和幸運的是,我們乘坐的是一輛緩慢的火車,地球的轉動並不會突然變慢或者突然加速,所以我們可能永遠不會感受到地球的轉動。事實上,太陽的東升西落就是地球自轉的結果。

還有什麼能證明地球是在自轉?自從哥白尼發表了《天體運行論》一書,提出了地球自轉的概念以後,許多實驗都證明了地球自轉的存在。

法國物理學家傅科於1851年做了一項有趣的實驗。傅科在法國巴黎的先賢祠大廳的穹頂上,懸掛了一條67米長的繩索,繩索的下面是一個重達28千克的擺錘,懸掛點經過特殊設計,使摩擦減少到最低限度。這種擺,慣性和動量大,因而基本不受地球自轉影響而自行擺動,並且擺動時間很長。

在傅科擺試驗中,人們看到,擺動過程中,擺動平面沿順時針方向緩緩轉動,擺動方向不斷變化。事實上,擺在擺動平面方向上,並沒有受到外力作用,按照慣性定律,擺動的空間方向不會改變。因而可知,這種擺動方向的變化,是由於觀察者所在的地球,沿著逆時針方向轉動的結果。地球上的觀察者,看到了相對運動的現象,從而有力地證明了地球是在自轉。

傅科擺放置的位置不同,擺動情況也不同。在北半球時,擺動平面順時針轉動,在南半球時,擺動平面逆時針轉動。而且緯度越高,轉動速度越快,在赤道上的擺幾乎不轉動。作為地球自轉的有力實驗,傅科擺在許多科學博物館和大學內,是很受歡迎的展品,北京天文館大廳裡,就有一個巨大的傅科擺,時時刻刻提醒人們,地球在自西向東自轉著。

前面我們說了,地球自轉並不會突然的加速或者減速,但是實際上,地球的自轉卻是在長期減慢。幾十億年前,地球-月球系統剛形成時,地球的自轉周期大概是5小時,之後地球的自轉速度就不斷地在降低。引起地球自轉長期減慢的原因主要是月球引力引起的潮汐摩擦。每100年的自轉時間會增加2毫秒左右,不過這個速度還是太小,我們感覺不到。

不過,這並不妨礙我們大開腦洞。我們不妨可以討論下,如果地球以現在二分之一的速度旋轉,或者兩倍速度旋轉,甚至停止自轉,你覺得會發生什麼情況呢?請在評論區告訴我們

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  • 簡單的傅科擺,為什麼可以證明地球在自轉?
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