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在地心引力的作用下,我们都被束缚在地球表面。如果想要摆脱地表,就必须产生一个能够对抗地心引力的作用,例如,固定翼飞机通过空气流过机翼上下表面来产生升力,火箭通过向下喷射高速气体来产生反作用力。

如果飞到太空中,可以看到整个地球悬浮在黑暗的太空中。当年阿波罗宇航员乘坐飞船飞向月球的过程中,他们亲眼目睹到了地球的全景。地球就这样漂浮在空间中,看起来没有任何支撑的东西。

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那么,地球靠什么力量悬浮在太空中呢?为什么地球不会掉下去呢?

首先,在太空中没有明确的上下方向概念,地球要往哪个“下”掉呢?不过,我们可以参照地球上的情况给太阳系定义出“下”方向。

在地球上,万物都会受到朝向地心的引力作用,这个方向就是“下”。由于地球是个球体,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,这个方向是相对于地心而言的。

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太阳系中,太阳的质量相当于太阳系总质量的99.85%,太阳的强大引力控制所有天体运动。所有太阳系天体都会受到朝向太阳中心的引力作用,这个方向可以认为是太阳系的“下”,不同天体的“下”是不一样的。

那么,为什么地球往太阳中心掉下去呢?

关于这个问题,还是要先回来地球上来。根据牛顿物理学,当地球上的物体水平速度达到7.9公里/秒,也就是第一宇宙速度之时,可以让地心引力刚好等于物体环绕地球做圆周运动的向心力。如果让物体在几乎没有阻力的太空中绕着地球飞行,只要速度足够快,它们就会依靠惯性环绕地球运动,不再会掉下来。

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关于第一宇宙速度,可以通过牛顿大炮加以形象说明。牛顿曾经提出过一个设想,在地球上架设一门大炮,炮弹沿着水平方向发射出去。

炮弹的初速度越快,水平飞行距离越远。由于地球是个球体,表面具有弧度,如果炮弹的飞行速度达到第一宇宙速度,这枚炮弹就能一直飞过弯曲的地表,从而不需要动力就能一直绕着地球飞行(不考虑空气阻力)。

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同样地,地球也以刚好合适的速度环绕太阳运动,太阳对地球的引力刚好充当了地球做环绕太阳做圆周运动的向心力,所以地球不会掉向太阳。如果地球没有运动,必然会被太阳的引力吸引过去。

地球诞生至今已有45亿年,为什么地球可以一直转动?它的动力源是什么?

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整个太阳系是从一团旋转的星云中形成的,地球继承了星云的最初角动量,所以地球也会持续转动。再加上太空中基本上没有阻力,地球的角动量不会明显损耗掉,所以地球不需要动力,可以一直转动。但需要注意的是,地球转动没有对外做功,地球既不是第一类永动机也不是第二类永动机。