| 词条 | 地球引力 |
| 释义 | § 发现者简介 地球引力牛顿（Lsaac Newton)最早发现了地球引力，且与万有引力有 关。艾萨克·牛顿，英国著名科学家。（牛顿） FRS（Sir Isaac Newton，1642年12月25日－1727年3月31日）是一位英格兰物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑，并推动了科学革命。牛顿是经典力学理论的集大成者。他系统的总结了伽利略、开普勒和惠更斯等人的工作，得到了著名的万有引力定律和牛顿运动三定律。在牛顿以前，天文学是最显赫的学科。但是为什么行星一定按照一定规律围绕太阳运行？天文学家无法圆满解释这个问题。万有引力的发现说明，天上星体运动和地面上物体运动都受到同样的规律——力学规律的支配。早在牛顿发现万有引力定律以前，已经有许多科学家严肃认真的考虑过这个问题。比如开普勒就认识到，要维持行星沿椭圆轨道运动必定有一种力在起作用，他认为这种力类似磁力，就像磁石吸铁一样。1659年，惠更斯从研究摆的运动中发现，保持物体沿圆周轨道运动需要一种向心力。胡克等人认为是引力，并且试图推到引力和距离的关系。1664年，胡克发现彗星靠近太阳时轨道弯曲是因为太阳引力作用的结果；1673年，惠更斯推导出向心力定律；1679年，胡克和哈雷从向心力定律和开普勒第三定律，推导出维持行星运动的万有引力和距离的平方成反比。 地球引力牛顿自己回忆，1666年前后，他在老家居住的时候已经考虑过万有引力的问题。最有名的一个说法是：在假期里，牛顿常常在花园里小坐片刻。有一次，象以往屡次发生的那样，一个苹果从树上掉了下来。一个苹果的偶然落地，却是人类思想史的一个转折点，它使那个坐在花园里的人的头脑开了窍，引起他的沉思：究竟是什么原因使一切物体都受到差不多总是朝向地心的吸引呢。牛顿思索着。终于，他发现了对人类具有划时代意义的万有引力。牛顿高明的地方就在于他解决了胡克等人没有能够解决的数学论证问题。1679年，胡克曾经写信问牛顿，能不能根据向心力定律和引力同距离的平方成反比的定律，来证明行星沿椭圆轨道运动。牛顿没有回答这个问题。1685年，哈雷登门拜访牛顿时，牛顿已经发现了万有引力定律：两个物体之间有引力，引力和距离的平方成反比，和两个物体质量的乘积成正比。当时已经有了地球半径、日地距离等精确的数据可以供计算使用。牛顿向哈雷证明地球的引力是使月亮围绕地球运动的向心力，也证明了在太阳引力作用下，行星运动符合开普勒运动三定律。在哈雷的敦促下，1686年底，牛顿写成划时代的伟大著作《自然哲学的数学原理》一书。皇家学会经费不足，出不了这本书，后来靠了哈雷的资助，这部科学史上最伟大的著作之一才能够在1687年出版。牛顿在这部书中，从力学的基本概念(质量、动量、惯性、力)和基本定律(运动三定律)出发，运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。 § 形成原因 地球引力假如地球表面完全为自由流动的液态水所覆盖，那么这种液体水的表面呈现一个扁球体，在两极稍平，而在赤道膨胀，这在前边已经作了简要的叙述。这个理想的形状，称为地球体，它将完美地同全部的重力、转动力相平衡。牛顿定律对于引力的表达是重力遵循的基础。众所周知，该定律的基本表述为：m1与m2这两个质点之间的引力，正比于二者质量的乘积，反比于这两个质点中心之间距离的平方，如果说此处的F为作用在m2上的力，那么R1为从m1指向m2的单位向量，r是m1与m2之间的距离，而A是万有引力常数。加上负号表示着力是互相吸引的。 很明显，引力是存在于自然界中强度最小的相互作用力。最近还发现，A的数值也不是常数，而是随着时间有缓慢的减少。它的这种变化，是由许多原因造成的，其中之一被认为是由于地球半径随着时间而增加，这样反过来，又必将对地球的发展历史带来深刻的影响。可是，所得出的A值变化速率是如此之小，以至于它在整个地球演化过程中，即在几十亿年的时间内，其变化速率只大约为1％，所以在实际应用上并无什么真正的价值。 由于地球（假定为m1）这个巨大质量的存在，使得m2所产生的加速度，称做重力加速度。它最早是被伽利略在意大利的比萨斜塔上测定的。在地球表面上这个数值一般定为980厘米／秒2，通常又将1厘米／秒2称为“伽”（gal），用以纪念这位伟大的科学家。重力场是守恒的，也就是说在重力场中，移动一个物体所做的功，独立于它所经过的路径，而仅仅取决于它的终点。事实上，假如该质量最终转到它原来出发时所处的位置时，其净能量的消耗等于0，而不管它在其间所走过的道路是什么。这在自然地理面中，是可以很轻易得到证明的。寻常所见的水分循环，就是一个很好的说明重力守恒的例子。一滴水从海洋面上被蒸发，克服重力，进入大气，这是外界做功的结果。待它由空中重新回归到海洋时（而不管它是直接落入海洋，还是被运送到几千公里之外，又随着河川迳流回到海洋来的），放出了原先克服重力时的那部分功，遵循着重力守恒，使得净能量的消耗等于0。类似的例子，在地表面是很多的。另外一种对重力守恒的表达方式就是：动能和势能之和在一个封闭体系中为一常数，这涉及到动能与势能的互相转化，也是我们要经常使用的一个规律。同时要记住引力是一个向量，它的方向是沿着地球的质量中心与另外一个物体质量中心的连线，这在进行向量分析时，是极为有用的。地球表面的重力大小，一般来说与五个因素有关，它们是地理纬度、海拔高度、周围地体的地形、地球潮汐与地表以下物质的密度。这最后一个因子，仅仅在进行重力测量中才有价值，一般情况下它对重力变化的影响，要比前四个因子的联合效应小的多。例如，从赤道到两极，重力随着纬度变化的数量大约为5伽，而油田勘探中的较大重力异常是10毫伽，只相当于上述数字的1／500。在1930年，国际大地测量和地球物理协会采用了一个公式，给出了在地球这个椭球体上任意一点的重力加速度为： g=g0（1+αsin2Φ+βsin22Φ） (5．9) g——重力加速度；g0——在赤道上的重力加速度，它等于978.0490厘米／秒2；Φ——纬度，常数α及β分别是0.0052884和-0.0000059。自从1930年以来，由于在重力测量中获取了大量的资料，特别是通过人造地球卫星的准确测定，上式中的常数已经有了进一步的改动。 地球引力从自然地理学的角度来看，我们的着眼点不在于寻求计算重力或进行订正的准确公式，而在于利用这种重力分析的基本原理，阐述物质在进入自然地理面和输出到环境时的爱力状况，在这些受力当中，重力是特别应当考虑的一项。举凡地形的改变、物质的搬运和堆积、气团的运动、水分的循环、生物的生长，甚至于地球物质的调整等，离开了重力的分析，就不可能得出正确的结果。前面已经讲过，重力最为明显的表达，一般都在地球固体表面之上。在其下并非重力消失了，只是不容易有如固体表面之上那样明显地看出来罢了，此外作为研究的对象来说，我们亦不去特别关注地层深处的重力状况，而只接受它所带来的对地表造成的后果。进而看到，在海平面之上陆地面积约占全球总表面积的29％，以雨和雪降下来的水，必然经受重力的作用回归到海洋中去。这样，每一次落到地表上的降水，都具有比例于本身质量和海平面以上高度的乘积，这样数值的能量，这就是它所具的势能。在陆地地表，亦有个别的点低于海平面，例如我国的吐鲁番盆地，美国加利福尼亚的死谷等，它们之所以能在陆面上保持这种例外的情况，一是由于其面积小，二是由于这些盆地均处于干旱区，很少有降水发生。假如把它们移到湿润地区，这种低于海平面的状况决不会保持很久，在重力的参与下，很快就要被水充满或被水所带来的风化物质填注，以补足海平面在全球延伸中的“漏洞”。重力在自然地理面中的表现，既平常又深刻，对此应有充分的认识，现粗略地讨论一下重力在改造地表形态上的作用。陆地表面由于风化作用而造成的松散物质，在一定的条件下，由于力的作用是要移动的。 无论是从高处到低处的滚动、滑落、崩塌，还是通过河流的输运，风的挟带等，其中一个极重要的因素就是重力的参与。我们以一个在坡面上运动的岩块为例，简要分析一下重力的作用。由分析得知，重力的一个分力，即岩块向下滑动的力，比例于所处坡度的正弦，当然还取决于这个坡面的摩擦系数。一克重的岩块在坡度为45°时，向下滑动的分力为0.7克；而当该坡度等于60°时，这个分力将增加到0.87克（如图5．5）。由于摩擦系数很少有大于1的状况，因此单凭摩擦系数的阻抗，在坡度大于45°时，将支持不住重力所引起的向下滑动的分力。事实上，比40°更为陡峭的自然坡度在全球是很少见的，因为如果有超出40°的角度时，重力作用将比较迅速地对此加以改变，由此可以看出重力改变地表形态的作用来。 在讨论地球重力的同时，我们对于其它星体产生的类似于地球引力的作用力，也要加以必要的重视。最主要的就是月亮和太阳对地球的引力。 地球引力月亮和地球的距离很近，约等于三十个地球的直径，根据万有引力定律，引力与距离的平方成反比，因而尽管月球的质量不算太大，但对于地球上各个质点的引力却相对的要大一些。太阳的质量很大，约等于二千亿亿亿吨，是地球质量的三十三万倍，但由于地球与太阳之间的距离太远，是月球—地球之间距离的四百倍，因此，它对地球的引力，只是月球对地球引力的46％。所以，地球上的潮汐现象是太阳和月亮二者作用力的合成，这里我们只需了解月亮的引力作用比太阳更大这一点就够了。地球的质量是月球的81.5倍，因此月—地系统的公共质量中心，必然大大地偏向于地球一侧，大约在距地心0.73倍地球半径的地方，两个球体每月绕着这个共同的质量中心转动。月球对于地球的引潮力固然重要，但这个引潮力的数量值却并不太大，只相当于地球重力的千万分之一。对于地球上一个10吨重的物体来说（即重力等于10吨），其引潮力仅有1克。这样小的力，人通常是感觉不出来的。但地球对这种不大的引潮力，反应却十分明显。很早以前，就发现海水在一日内有规律的涨落（潮汐）与月球有密切关系。此外，地球不是一个刚体，一般都认为它是一个具有弹性的球体，对于具这样一种特性的球体，在引潮力的作用下，地球的固体岩石地壳也会产生“潮汐”现象，叫做固体潮，每天都要升降达30厘米左右。当然地球对月球的引潮力更大，它使得月壳突起和下落的幅度达到3公里左右。与此同时，地球上的大气，也因为这种引潮力，每天都产生着“大气潮汐”。至于海洋这个庞大的水体，其上的潮汐现象就更为明显了，加拿大东海岸的芬地湾蒙克顿港，最大潮差达19.6米，堪称世界前茅。我国钱塘江口的最大潮差记录为8.9米，当然各个地方由于所处位置及周围环境的不同，潮差也是不相同的。月球和太阳的引力在塑造陆地表面的地形方面，也是一个具有一定意义的因素。康德在1775年，曾率先提出把涨潮作为改变地球旋转速度的一个因素。近年来，在探讨关于地震的预测预报中，也有人把潮汐力作为一个对地震起因的触发因子。此外，对于自然地理来说，更为明显的则是潮汐对于海陆交界处地形的变更作用，对于岸线的影响作用，以及对于波浪运动的作用等 § 最强 最弱的地方 地球引力如果考虑地球的自转等因素，两极引力强，赤道引力最弱，这也是为什么卫星发射中心的纬度都很低的原因。不加证明，我们可以给出一个定理，就是地球引力是连续变化的，这是显然的。然后，地心的引力为0，无穷远处引力为0，因此可以证明存在一个地球引力最大值的地方，这个位置在哪里呢，在万有引力除去自转离心力作用最大得地方，就是两极的金属矿上。北极是冰雪覆盖的一片汪洋大海地表没有矿藏，所以这个引力最大的位置就是南极查尔斯王子山脉南部的鲁克尔山北部的特大磁铁矿上。至于地球上哪里引力最弱，这个从上面推导中可以看出，只有地球表面才有“引力最弱的地方”这个概念，那就是赤道海洋表面，然而这个引力最小点的位置随着月球的潮汐引力而不断移动着，绕着地球不断的跑。如果把问题放宽到整个地球，那么引力最弱的地方在地心，那里的引力为0 。地球引力可能会消失。英国《观察家报》报道：科学家发现，保护我们免受外太空致命辐射伤害的地球磁场正迅速减弱，甚至可能消失，预示南北极即将易位。届时，平常无法触及大气层的强大辐射爆发将令地球急剧升温，造成灾难。据爱丁堡英国地质勘探局汤姆森博士称，此前地球磁场已曾多次消失，是南北两极易位的先兆，大概每22万年便会出现一次，但最近已有近100万年没有发生，所以随时会再出现。巴黎地球物理研究所科学家於洛更发现，最近两极附近的磁场消失速度特别惊人，明确显示两极即将易位，南极变北极，北极变南极。於洛根据人造卫星过去廿年录得的磁场变化数据，发现在地下深层产生地球引力的熔流，在接近南北极位置出现巨大旋涡，并以加强磁场逆转的方向转动，因而削弱现有磁场，最终将导致两极易位。 § 磁场消失的影响和应对 勘察设备其间磁场会出现短暂消失，届时将造成的破坏现时仍难以预料。不过最少人类射到太空的人造卫星都会因电磁紊乱而毁坏；靠侦测磁场变化本能而迁 徙的候鸟和移居动物亦会不知所措。而对人类来说，太阳粒子风暴扰乱大气层，将令高层大气升温，为气候带来无法预知的转变。这将在何时发生亦难以估计。据分析古代熔岩得出的结果显示，在过往同类事件中，磁场减弱的情况可以延续数千年。但同时有其他研究员却称，两极易位有时只需数周。而更可怕的是，人类暂时都没有解决或应对方法。地质学家及古生物学家发现，地球古代生物之突变与地磁反极有密切关系。例如中生代恐龙之突然出现及消灭，新生代哺乳动物之突然出现，以及有些有孔虫在几百万年前之突然全部灭种，都与地磁反极之时间完全符合。虽然详细之情形还不大清楚，但在地磁反极发生过程中，一定有一段时期是无地球磁场的，而此种没有地球磁场的情况可能对生物之演化有极大影响，使其消灭或突变。 地球偶极子主磁场并不固定，根据百多年来的纪录并理论上的分析，我们发现主磁场会渐渐减少，以至完全消失。然后变成相反的极位，即磁北极变成磁南极，磁南极变成磁北了！这种南北极周期性的变换，可由岩磁研究之结果中得到证明。目前的资料显示，地球主磁场平均每22万年反极一次，而最近之反极系发生在70万年前，这表示第一次地球主磁场之反极似乎早就该来临了。如果考虑地球的自转等因素，两极引力强，赤道引力最弱，这也是为什么卫星发射中心的纬度都很低的原因.。不加证明，我门可以给出一个定理，就是地球引力是连续变化的，这是显然的。然后，地心的引力为0，无穷远处引力为0，因此可以证明存在一个地球引力最大值的地方，这个位置在哪里呢，在万有引力除去自转离心力作用最大得地方，就是两极的金属矿上。北极是冰雪覆盖的一片汪洋大海地表没有矿藏，所以这个引力最大的位置就是南极 查尔斯王子山脉南部的鲁克尔山北部的特大磁铁矿上。至于地球上哪里引力最弱，这个从上面推导中可以看出，只有地球表面才有“引力最弱的地方”这个概念，那就是赤道海洋表面，然而这个引力最小点的位置随着月球的潮汐引力而不断移动着，绕着地球不断的跑。如果把问题放宽到整个地球，那么引力最弱的地方在地心，那里的引力为0。 § 如何战胜地球引力 地球引力自古以来，人类就用种种美丽的飞天神话和传说来寄托遨游环宇的梦想。人类为什么不能飞离地面呢？是缺少一对翅膀么？但是，许多勇敢者模仿鸟类用人造翅膀飞行的尝试都失败了。理论研究证明，由于生理上的局限，人类永远不可能用肌肉的力量在空中支持自身的重量。1686年，牛顿揭开了这团迷雾。他在这年发表的《自然哲学数学原理》一书中指出，任何两个物体间都有相互吸引力，由此创建了万有引力定律，即引力的大小跟它们的质量成正比，跟它们之间的距离的平方成反比。由于人与地球质量相差太悬殊，所以人总是被地球强大的引力所束缚而不能离开地面。现在问题已经明朗了，要离开地面，就要克服地球引力。但如何才能克服地球引力呢？要使一个物体离开地球，必须沿着地球引力相反的方向（即向上）对它加力，使它作加速运动，当它达到一定速度时停止加力，它就能以惯性一直向前脱离地球。这个速度可通过地球的质量和物体与地心的距离计算出来。物体在地球表面上（即距离为地球的半径）飞行时，这个速度为11.2千米/秒，叫做脱离速度或逃逸速度——是速度战胜了引力。 物体达到11.2千米/秒的运动速度时能摆脱地球引力的束缚，在摆脱地球束缚的过程中，物体在地球引力的作用下并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力以后在太阳引力作用下绕太阳运行，若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。人类的航天活动，并不是一味地要飞离地球，当前的应用航天器，需要绕地球飞行，即让航天器作圆周运动。我们知道，物体作曲线运动时会产生离心力。因此，要让航天器作圆周运动，必须始终有一个与离心力大小相等、方向相反的力作用在航天器上。在这里，我们正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力，正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。经过计算，在地面上，物体的运动速度达到7.9千米/秒时，它所产生的离心力，正好与地球对它的引力相等。这个速度被称为环绕速度。上述使物体绕地球作圆周运动的速度被称为第一宇宙速度；摆脱地球引力束缚，飞离地球的速度叫第二宇宙速度；而摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系的速度叫第三宇宙度。根据万有引力定律，两个物体之间引力的大小与它们的距离平方成反比。因此，物体离地球中心的距离不同，其环绕速度（第一宇宙速度）和脱离速度（第二宇宙速度）有不同的数值。那么，航天器能否在200千米以下绕地球飞行呢？理论上不仅航天器可以，而且汽车、火车和飞机，都能以惯性绕地球运行。但实际上不仅汽车、火车、和飞机不行，航天器也不可能，因为那里有较浓密的大气，大气阻力会降低航天器的运行速度。速度降低意味着离心力减小，航天器就会在地球引力作用下，沿螺旋线轨迹落向地球。若要维持宇宙速度，则需要携带大量燃料来产生动力，以连续的动力来克服空气阻力。不靠惯性飞行，而靠动力飞行，这就与航空器没有区别了。而且，如果航天器高速在稠密大气层中飞行，气动加热带来的一系列问题是非常难以解决的。为解决这些问题，势必大大增加航天器的质量，这就又要求运载火箭有更高的运载能力，从而使成本极大地增加。 § 相关科技产品 地球引力亮点：引力能的前沿科学即是现引力能应用的空白区之学说与技术，本A型是仿造球体位能效应中结构重力位能、引力转换功能的发明产品已获国家专利授权，本文旨在将其原理公布普及，让市场评判，需求促进技术发展，加快应对能源和环境双重危机的技术创新。内容： 1、专利产品（重力降能耗杠杆）原理a、发明杠杆结构原理：它是仿造球体重量悬空位能结构，将杠杆重力点悬空在杠杆支点之上，再用连接杆与杆杆力臂上的作用力点反向共点连接。公知普通杠杆的重力点是在重力臂的一端，其重力也就无位能可言，但发明杠杆无重力臂，重力为悬空点，所以，杠杆重力也就实现了类似球体结构位能，即实现了将杠杆上本无位能的重力因悬空而具有了位能，这就是它的结构原理。b、发明杠杆的功能技术原理：其功能技术为力系叠加作功原理，因为重力点悬空与作用力点反向共点连接，但此力系不共线，属工程力学中的共点力系，按力的平行四边形法则，重力点与作用点两力共点不共线则必有一个合力，此合力线就是杠杆力臂线，当此合力方向作用支点后，支点必有一个反作用力作用重力点与作用力共点而形成工程力学中的三力共点汇交力系，此时反映在重力点上的效果则是由共点力系与合力叠加形成的三力共点汇交力系值效果。经无数次实验，其叠加值大小等于重力与作用力的合力再与作用力之和；其方程式：G=2（F－Fsina）＋F，其合力项大小为；重力值的连线与杠杆力臂之间夹角a正弦值乘积和作用力F之差的2倍。对此方程的求证是任何人都可按专利文本说明书实验证实的。显然，在发明杠杆效果上，同样是一个作用力则出现了三个力共同作功的功能技术，这就是发明杠杆可实现降能耗的技术原理，即功能原理。重力降能耗杠杆的基本规律公知现今宏观引力能应用只有水电站一项，但它还是离不开水资源的支撑命运。然而水电的重力位能是由自然蒸发上升下雨拦坝形成，难道除此以外，自然界再没有不需资源支撑束缚的重力位能形成方式可利用吗？答案是肯定的，不但有而且人类几千年来一直在利用它，本人经研究发现，球体易自位移原理就是经典型的物理方式将无位能重量由结构悬空而实现了位能化，特别是车轮结构应用人类几千年受益至今，其实在车轮中早包涵了复杂的杠杆力系和引力能转换原理，即球体位能效应原理。因此，重力降能耗杠杆只是将球体位能效应，应用于杠杆原理中，在实现仿造球体结构将无位能重力位能化的同时，又将其重力位能转换为可用能量，它遵守了引力能本质（引力必在两个物体之间有位能时才可转换为可用能量原则）特性，而对重力位能的应用在现物理学中是符合能量守恒定律的，这就是本发明杠杆的基本规律。重力降能耗杠杆的应用因为本发明杠杆的结构是仿造球体位能结构，而结构形成的功能技术是可将悬空重力位能转换为可用能源，所以，它的应用范围与普通杠杆无异，且将原来单一省力技术提升到了省力和降能耗的双重功能，即应用范围广阔。但它最重要的目标是应用于能量转换，例如最近申报国家专利的(引力能转换发动机)就是一种可替代现有发动机的动力产品，其功能类似太阳能汽车动力机，它不对外输出能源，而是自产自消式的引力能转换。如用它与发电机匹配，则是将引力能转换的能源可对外输出，即机电一体化为引力能转换发电机产品。 § 参考资料 1、http://blog.ifeng.com/article/1468442.html 2、http://www.chinavalue.net/Article/Archive/2008/6/8/119322.html 3、http://www.123kj.net/SoftView.asp?SoftID=31338 |
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