本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
如果世界上的每個人都努力奔跑來對抗地球自轉,那麼要花多長時間才能使地球停下來?
切合實際的答案在「比太陽能存在的時間還長」和「永遠不會」之間。地球的質量和生活在地球表面的七十億人之間的不匹配是巨大的。 為了方便計算,6x10^24公斤為地球質量,一個人平均體重80公斤。 然後75億人將達到6x10^11公斤。比例為10^13。
在光譜的「永遠」端:你把所有人都集中在赤道附近。你建造了一條在赤道附近500車道的跑道,讓每個人都能在上面奔跑,這樣就不用在大陸和海洋交替的地方停下來了。每個人都在等待啟動信號。 每個人對地球表面都是靜止的,這也意味著相對於地球表面以恆定的速度移動。3210.開始。 他們都開始向東跑,雙腳向西推,試圖放慢地球東轉的速度。 每個人的速度都可以保持在每小時兩英裡的水平 (為了保持幾千年的速度,你必須保持自己的步伐)加油,平衡一下角動量的記帳本,你就把那顆行星的速度減慢了五百分之一。
但現在人們又一次以恆定的速度移動到地球表面。 沒有三角洲速度意味著沒有角加速度。 沒有角加速度意味著沒有扭矩。無扭矩意味著地球的自旋速率不再變化。 你可以把整個運動看成行星「發射」每個人進入兩英裡每小時旋轉,相對於行星通過他們的鞋底。當每個人 停下進行一個作息性休息,地球把損失的速度都拿回來了。
這裡的麻煩是表象上繼續減緩行星旋轉,所有的慢跑者都需要一些東西來推動,就像數十億跑步機上的扶手杆,方便地掛在人行道上,但是這些扶手杆事實上沒有附著在行星上。
能夠安排這項工作,再加上把全人類變成跑步機上的生物所帶來的社會和後勤挑戰,意味著要安排一些比地球結構大得多的地球結構來把動量轉移過去,和一個以保持扶手杆相對於地球表面幾乎穩定中間層。如果你從休息時的手柄開始,相對於旋轉,~1000英裡每小時的不匹配會使人們難以跟上,也許會不顧一切地把鞋底粘下來,以超音速磨去。 噢!
撇開這些細節不談,如果你在建造比地球更大的其他結構,你可能會想出比使用人類肌肉更好的減緩旋轉的方法。超級自大的銀河霸主那些僅僅因為你可以所以下令去做那些事情,或者,比如說,一個CNN記者問了一些尷尬的問題,你會做你要做的任何事情,所以繼續下去)
如果每個人都開始奔跑對抗地球的旋轉,這實際上會使地球速度稍微加快。
如果每個人都開始隨著地球的旋轉而運行,這將使地球輕微變慢,因為地球的一些(保守的)角動量現在將由跑步者攜帶。
能減慢多少? 讓我們看看。地球上大約有75億人,即7.5×10^9人。 由於這包括嬰兒,假設每個人的平均質量是40公斤,所以總質量約為m=3×10^11公斤。假設它們都移動到赤道以獲得最大效果,並開始以v=5米/秒,或約18公裡/小時向東運行。考慮到地球半徑r=6.37×106米,預計角動量將是L=mvr9.6×1 018平方米/秒。
這是很多角動量,但地球有更多:LE7×1033平方米/s。 因此,所有這些運行將減緩地球的一個無形的部分約730萬億。 或者大概每兩千五百萬年減慢一秒鐘。
這就是最理想的情況。 地球不會因為人民在奔跑而持續減速。 這只是維持了新的平衡。 相反,當這些優秀的參與者累了,停下來,所有的角動量被轉移回地球,所以地球恢復了原來的旋轉速度。
從理論上講,如果我們在瞬間衝刺到7e18m/s的速度能是瞬時的。只要我們跑得這麼快,地球就會相對於太陽靜止。
所有人的質量加在一起比地球小得多。 因此,我們必須跑得很快才能彌補這一點,我們還必須持續以輕快的速度跑,以保持地球「靜止」。
地球重量為5.972e24公斤,半徑為6371公裡。 因此,其轉動慣量為(2/5)*(5.972e24)*(6371000^2)=9.7e37kgm2。 它的角速度,相對於太陽是7.3e-5rad/s。 因此它的動能(旋轉)是(1/2)*(9.7e37)*(7.3e-5)^2=2.6e49J。這是個很大的數字。
讓我們假設地球上一個人的平均體重是70公斤。 我們目前是76億的人,所以我們的總質量是5.32e11公斤。 這個質量必須向地球完全相反的方向移動。 因此我們都會在赤道上排隊,我們可以計算 Ek=m*v^2,所以現在我們只需要計算我們的速度來平衡地球的動能來停下地球的轉動。 如果我們填一下我們得到表格:
7e18 m/s.
這個速度是光速的2.33e10倍。 據我們所知,甚至沒有什麼東西能達到光速,更不用說超過它那麼難的事情了。 所以我們不能這樣阻止地球。但就是這樣為了停下地球,我們不得不繞赤道跑到的速度。 這是2.5e19公裡或1.57e19英裡每小時。這實在太快了。無意冒犯,你甚至都達不到,更不用說維持它了。