随着社会的进步、现代科学技术的发展,人类的认知不满足于地球表面,把探索的目光延伸到外太空。

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探索宇宙

人们发现地球在宇宙自转的时间已经超过了46亿年。这又唤起了人们的“永动之梦”。难道地球环境才是桎梏梦想的枷锁,“永动”是存在于广袤无垠的宇宙的。

“永动机”是什么?

46亿年来,地球自转没有一刻停歇,那地球不就是人类从13世纪追寻到至今的“永动机”吗。在公元1200年古印度便已经有了“永动机”的设想,并由穿梭各国的阿拉伯人传到了欧洲。

永动机模型

13世纪的欧洲是一个思想活跃的时代。法国人亨内考构思了一种车轮状的“永动机”:和普通车轮外形相似,有一个转动轴和十二个短杆。不同之处在于,每个活动短杆的一端都安装了一个铁球。亨内考设想右边的球产生的转动力矩比左边的大,那么轮子就会永远运动下去。

达芬奇手绘类似永动机的手稿

十六世纪,达·芬奇复刻了这个装置。通过实验,他敏锐地发现了这是不可能实现的。通过杠杆平衡原理,我们知道,存在一个点,使左右两侧重物产生的旋转力矩恰好抵消,轮子便可以达到平衡状态。

到了十六世纪70年代,意大利斯特尔要充分利用水力,制造一种以水为动力的永动装置。他设计了一种水轮机:水槽里的水向下流淌,冲击水轮转动。水轮带动齿轮,使汲水器旋转着把流下的水抽回水槽,开始新一轮的运作。这就是一个看似完美的循环。然而“现实很骨感”。刚开始还会有一些水,回到顶上水槽,水最终都去了下面的蓄水池。

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意大利斯特尔的水流永动机

“永动机”自提出以来就饱受非议,但面对“永动之梦”的诱惑,工程师还是决定走上不断尝试的道路。有人说用浮力,失败了;又有人说用电磁力,失败了;还有人说用细管子的毛细作用,也失败了。

19世纪中叶能量守恒,20世纪初热力学定律相继的诞生,将永动彻底推翻。700年间,出现与永动机相关的设想有两类。第一类,不仅要对外界持续做攻击,还需要动力。能量守恒定律很明确的说明,机器不能制造能量,只能让能量形式发生转变。

热力学

热力第一定律说明:物体从外界吸收的热量与物体对外界所做功的总和等于物体内能量增加。第二类,注入动力后,使机器的效率达到100%。虽然不违背能量守恒,机械能也可以转化为内能,但是内能不能100%转化为机械能。正所谓“树倒猢狲散”。“永动机”最终成为了一个谬论产物。

地球自转

1972年,美国的阿波罗17号飞船向地面传回了一张地球的全景图。图中的地球仿佛一颗悬空于宇宙的美丽水球。外表看起来没有任何外来能量输入,也能慢慢悠悠地进行自转。地球的“悠哉游哉”可不是我们普通人散步。地球自转在赤道上,线速度可是能达到每秒465米,角速度也能达到15°/h。

地球

如果不能切实地感受到地球自转的速度,那么换一种说法。声音的速度可以达到1224km/h,经过数学计算转换成秒,就是340m/s。地球自转每秒比声音速度要快100多米,这是很惊人的。人在地球上进行正常的生活工作,便可以不知不觉地“一日八万里”,这可是有科学依据的。

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地球自转

地球的公转比地球自转还要快,能达到29.79km/s(ps:地球公转不是此节重点,因此不做过多讲解)。那么如此快速而又持久的地球运动,它的动力来源于哪里呢?

地球自转的产生

追根溯源,先来了解太阳系的诞生。太阳系的诞生与一次超新星的爆炸有关。当恒星走向终结,便会剧烈而又明亮的爆炸,这被称为“超新星爆炸”。大爆炸中,恒星将自己的物质以十分之一的光速抛射出去。这些会慢慢形成新的天体。

大约46亿年前,太阳系还只是一片在宇宙飘荡的巨大星云。在星云附近,有一颗末期恒星走向了生命的尽头。这次超新星爆炸产生的巨大冲击波,压迫星云部分开始“引力坍缩”。在引力的作用下,坍缩的中间质量不断增大,形成了如今太阳系的中心——太阳。太阳以外的物质摊平并组成了原行星盘,逐渐形成了八大行星以及卫星、陨石等构成太阳系的重要天体。

太阳

早期的地球也在这时形成,许多小行星在穿梭宇宙时被地球的引力捕获,前仆后继地撞击地球。科学家研究,早期地球期间还与一个火星大小的忒伊亚行星相撞。这为地球自转提供了重要的角动量,地球由此开始转动。

地球是永动机吗

地球是永动机吗?答案是否定的。观察发现,地球自转的速度正在渐渐地慢下来。太阳系形成之初,地球自转六小时一周。到了当代则变成了24小时一周。46亿年间,地球自转的周期整整翻了四倍。

地球自转

地球自转速度变慢的原因在于:月球和太阳的巨大引力。因为只有外力介入才会导致天体自转运动的改变。地球被太阳的引力吸引,开始公转。但是地球与太阳之间不是垂直的,这会引发地球本身的自转。月球引力对地球自转也有影响。

地球公转

千百年来,月球只用同一个面朝向地球,对于这种现象,我们称之为“潮汐锁定”。在宇宙空间中,如果一个物体围绕另一个物体旋转,那么该物体的公转和自转周期与另外一个物体在时间长度上相等。是不是角动量消耗殆尽,地球就会停止自转呢?不过那该是很久很久以后的事情了,久到人类也看不清自己的未来。

总结

不论是“地球是不是永动机”,还是“永动机不存在”都是不可辩驳的事实,我们要真心实意地接受。地球的未来我们不得而知,我们可以把握好的,是当下。

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地球

追求“永动”的先人,在一次次失败中,揭示了想象与现实之间有着无法跨越的鸿沟。但他们在鸿沟里埋下了希望的种子,让后人更好地发现未知。我们佩服先人的勇气,为之震撼。