地球在自转时会跑偏吗?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2017-09-01 10:30:00

本文讨论了地球自转是否会跑偏的问题,并通过多个具体问题如雨中行走与奔跑的淋湿情况、地球质量分布不均匀对自转的影响、电子跃迁的量子力学效应等,进行了详细的物理分析和解释。

我们生活在同一个地球,习惯了每天日夜变换,斗转星移。现在我们知道,承载着我们的地球其实并不完美。不完美的地球,自转时会不会跑偏呢?

下雨时,缓慢行走和奔跑过相同的路程,淋湿的情况一样吗?根据经验来看,肯定不一样呀,不然为啥下雨天人们都跑着啊?!!(耍情调的不算)。实际下雨过程比较复杂,尤其是夏天雨季的时候,有可能隔着一条街降雨量都不相同。这种复杂的情况要根据实际来分析。

咱们假设一个简单的情况:降雨量不随空间变化,用“人话”说就是哪里下的都一样。再简化,在没有风的时候(这个有点不现实哈,便于分析而已)。这个时候淋湿程度(落到人身上的雨量)主要取决于被淋的时间和被淋的面积。时间简单,跑的肯定比走的短。面积呢?考虑被淋的面积的时候,我们再简化一下模型(没办法,物理就是这么忽略“细枝末节”只追求“本质”)。

把被淋的面分为水平被淋面(就是从头上淋下来的雨哈,简称头面)和竖直被淋面(就是胸,腹部,脸部等被淋的面积,简称体面)。头面的话比较简单,就是按时间计算,时间越长承受的也就越多。单说头面承受的雨量的话,跑的要比走的少。体面呢?我们在雨中的这个行进过程,体面受的雨量实际上正比于体面扫过的体积的。然后就是一个简单的几何题了。这个体积等于底面积(体面)乘以高度(路程)。从这个角度来说,跑的和走的是一样的。

综上,还是跑的被淋的要少些(感觉有些废话哈)。当然在被淋的时候很少人这么有“激情”考虑这个问题了,必然要跑呀,时间短就是王道,万一一会儿要下大呢。

地球东半球陆地多,西半球海水多,陆地密度大于海水,也就是说地球重心应该不在球心,化学实验直觉是这种情况在离心实验是会发生偏转而出危险的,可是地球在旋转的时候为何不会偏离其轨道做离心运动?

首先,题主所考虑的地球质量分布不均匀是客观存在的,不过这个偏离是极其微小的。海洋最深处只有10km左右,而地球的半径大约是6000km,深度的差别在2-3个数量级。这大概也就相当于完美的足球表面掉了几块皮,对球的运动形态不会有太大影响。其次,当然也是真正重要的原因是,实验室中的离心机和地球的自转还是有很大区别的。离心机转子的运动是外力驱动的转动,其质心是可以存在加速度的。

而地球的自身的转动(不考虑引力影响),可以看成是一个自由刚体的运动,其质心处于平衡状态。之所以离心机的在放置样品时要求严格配平主要是因为要保证转轴尽量通过转子的质心,以尽量消除转轴受到的转子不平衡时离心运动引起的侧向压力,压力加上相对运动就等于摩擦,这会缩短离心机的寿命。而对于地球完全不必有这样的担心,因为地球的质心不会因为自转而发生运动,自转轴必然通过地球质心。

所以对于地球会突然漂移的担心完全是多余的,顶多是转起来会有点变胖,但是要脱离轨道还是得需要一个外力,就算地球质心在球体的最边上,地球也不会偏离轨道的。

高中物理曾学到电子的跃迁以及电子云。那电子是如何从一个能级轨道跃迁到另一个能级轨道而不经过两个轨道之间的区域的?直接消失然后出现在另一条轨道吗?首先电子的跃迁是典型的量子力学效应。

而一旦涉及到量子力学,我们就需要抛弃很多经典的概念,包括经典粒子与经典轨道的概念。根据海森堡不确定关系,一个粒子不可能同时具有确切的动量和坐标,即没有轨道的概念。造成这种情况的原因,我们大概可以认为是因为微观粒子的波粒二象性,即微观粒子并不是像宏观的粒子那样看得见摸得着,它同时也是一种物质波,所以经典的轨道概念并不适用与微观物理(当然宏观粒子也有波粒二象性,但是其波动性太弱,完全不用考虑)。

所以,在量子力学中不同的能级并不是代表不同的“轨道”,而是代表粒子具有不同的能量以及相应的波函数(波函数描述粒子在某点出现的概率密度,因此原子周围的电子会呈现出电子云)。电子的能级跃迁是指电子从一个能量本征态跳到另一个能量本征态,而并不需要从一个“轨道”跳到另一个“轨道”,只是跃迁后的电子云形状会有所改变。

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