在地心引力的作用下,我們都被束縛在地球表面。如果想要擺脫地表,就必須產生一個能夠對抗地心引力的作用,例如,固定翼飛機通過空氣流過機翼上下表面來產生升力,火箭通過向下噴射高速氣體來產生反作用力。
如果飛到太空中,可以看到整個地球懸浮在黑暗的太空中。當年阿波羅太空人乘坐飛船飛向月球的過程中,他們親眼目睹到了地球的全景。地球就這樣漂浮在空間中,看起來沒有任何支撐的東西。
那麼,地球靠什麼力量懸浮在太空中呢?為什麼地球不會掉下去呢?
首先,在太空中沒有明確的上下方向概念,地球要往哪個「下」掉呢?不過,我們可以參照地球上的情況給太陽系定義出「下」方向。
在地球上,萬物都會受到朝向地心的引力作用,這個方向就是「下」。由於地球是個球體,在地球上的不同地方,引力作用方向是不同的,所以「下」也是不同的,這個方向是相對於地心而言的。
在太陽系中,太陽的質量相當於太陽系總質量的99.85%,太陽的強大引力控制所有天體運動。所有太陽系天體都會受到朝向太陽中心的引力作用,這個方向可以認為是太陽系的「下」,不同天體的「下」是不一樣的。
那麼,為什麼地球往太陽中心掉下去呢?
關於這個問題,還是要先回來地球上來。根據牛頓物理學,當地球上的物體水平速度達到7.9公裡/秒,也就是第一宇宙速度之時,可以讓地心引力剛好等於物體環繞地球做圓周運動的向心力。如果讓物體在幾乎沒有阻力的太空中繞著地球飛行,只要速度足夠快,它們就會依靠慣性環繞地球運動,不再會掉下來。
關於第一宇宙速度,可以通過牛頓大炮加以形象說明。牛頓曾經提出過一個設想,在地球上架設一門大炮,炮彈沿著水平方向發射出去。
炮彈的初速度越快,水平飛行距離越遠。由於地球是個球體,表面具有弧度,如果炮彈的飛行速度達到第一宇宙速度,這枚炮彈就能一直飛過彎曲的地表,從而不需要動力就能一直繞著地球飛行(不考慮空氣阻力)。
同樣地,地球也以剛好合適的速度環繞太陽運動,太陽對地球的引力剛好充當了地球做環繞太陽做圓周運動的向心力,所以地球不會掉向太陽。如果地球沒有運動,必然會被太陽的引力吸引過去。
地球誕生至今已有45億年,為什麼地球可以一直轉動?它的動力源是什麼?
整個太陽系是從一團旋轉的星雲中形成的,地球繼承了星雲的最初角動量,所以地球也會持續轉動。再加上太空中基本上沒有阻力,地球的角動量不會明顯損耗掉,所以地球不需要動力,可以一直轉動。但需要注意的是,地球轉動沒有對外做功,地球既不是第一類永動機也不是第二類永動機。