為什麼引力會使某些物體繞軌道運動而某些物體自由下落?

2020-12-03 天文在線

物理學家:這兩者的微妙之處正是牛頓的偉大見解之一,「掉落蘋果」的力和「旋轉行星」的力是同一種力。

圖解:牛頓最初的思想實驗描述了自由落體和軌道運動之間的相似之處。物體向側面移動得越快,它在空中停留的時間就越長。如果速度足夠快,那麼它根本不會下落。

無論引力是將物體拉入軌道還是使其「掉落」取決於物體的運動方式。 基本上,每個物體都希望遵循某種特定的軌道路徑。如果隨手扔一個球,那麼球也會沿著軌道運動。 如果那條路恰好與地面相交,那麼我們說「物體掉落了」。 如果那條路沒有與地面相交,那麼我們就說它在軌道上。

什麼是引力?

通過引力作用,行星或是其他天體將物體往其中心方向吸引。同時,引力也使各個行星保持運行在繞日軌道上。

引力還有什麼作用?

當你向上跳躍,你會落在地面上,而非懸浮在空中,這是為什麼?當你拋出或是扔下物體,它們會落在地上,這又是為什麼?答案便是引力。這股無形的力量將物體拉向彼此。在地球引力作用下,人們可以站立在地面上,事物也會向下落。

引力也處在不斷變化之中。愛因斯坦認為,引力是包圍在物體(如恆星或行星)周圍時空連續體中的一種曲率。當周圍物體靠近時,該物體將被拉進該曲線軌道中。

圖解:引力來自於時間和空間的曲率

任何有質量的物體都具有引力。質量越大,引力越強;距離越遠,引力則越弱。所以當物體靠得越近,它們間的引力越大。

地球引力來源於它的質量。地球的全部質量形成了萬有引力,拉引著人體的全部質量。這便形成了人類的重量。如果你是在一顆質量小於地球的行星上,你的重量也會下降。

圖解:人體在不同行星上的重量 圖源:Lifeslittlemysteries

人類對地球也有相同的引力作用,但由於地球的質量遠遠大於人類的質量,這部分引力對地球並無作用。

宇宙中的引力

在引力作用下,行星保持運行在繞日軌道上,月球保持繞地運行。月球引力吸引著海洋,因而形成了潮汐。引力牽引並匯聚物質,形成了恆星與行星。

引力不但吸引有質量的物體,也吸引光。阿爾伯特·愛因斯坦首先發現該定律。將手電筒朝上射出光線,引力會吸引光,光束會逐漸變紅。肉眼無法觀察到該現象,但科學家可以測量出來。

黑洞將極其大的質量壓縮在極其小的體積中,因此黑洞引力強到可以吸引萬物甚至是光。

圖解:黑洞 圖源:Baidu

地球上的引力

引力對人類很重要。沒有引力,人類無法在地球上生存。太陽引力吸引地球繞日運行,使地球與太陽保持恰當距離,讓人們享受到陽光與溫暖。太陽引力使地球表面覆蓋著大氣層與空氣,正是引力將我們整個世界結合在一起。

然而,地球各處引力大小並非相同。地下質量大的區域,引力略大。NASA利用兩架宇宙飛船進行測量,地球引力分布是重力恢復與氣候實驗項目(GRACE)的一部分。

圖解:GRACE項目地球重力分布圖 圖源:NASA

在GRACE項目幫助下,科學家繪製出了地心引力變化圖。藍色區域,引力較弱;紅色區域,引力較強。

GRACE可探測引力在一段時間內的變化,這些變化揭示了一些關於地球的重要細節,比如GRACE探測到了海平面的變化以及地震引發的地殼變化。

作者:askamathematician

FY: 歌詩小

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