翟志刚出舱时怕地球飘跑了!为何地球没往下掉,能飘在宇宙中?

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如果问,地球的上方和下方有什么?相信大家都是一脸懵,好像在我们的印象里,地球是围绕太阳运动,月球是围绕地球运动,它们似乎都在一个平面上。至于地球的上方和下方是什么,大家也并不知道。参与过太空行走的宇航员都会下意识地看一眼地球的上方和下方,黑漆漆的一片,似乎什么都没有。

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而且在宇航员的眼里,地球是飘浮在太空中的,感觉随时都可能掉下去一样。那么地球为何会飘在宇宙中?它会不会真有一天掉下去呢?

太空行走

太空行走是航天技术发展的重要一步,如果想要建立空间站,那么太空行走就是关键,因为涉及到了设备维修、检查,这些任务不可能百分之百在舱内完成,宇航员必须要出舱。人类历史上的第一次太空行走,由苏联宇航员完成,他身着当时的脐带宇航服,太空行走了12分钟。从他之后,宇航员人类不停地刷新太空行走的各种记录。

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2021年11月7日翟志刚王亚平来到神舟十三号的太空舱外,进行太空行走。这是王亚平的第一次太空行走,翟志刚则淡定得多,因为这已经不是他第一次出舱活动。早在2008年,翟志刚就第一次代表中国实现太空行走。当年神舟七号执行任务的时候,翟志刚遇到了很多困难,首先是舱门打不开,随后又发出了各种警报,经过不懈的努力,最终成功打开舱门。

作为第一个近距离接触宇宙的人,翟志刚则表示,在地面上的时候地球是最坚实的依靠,但是在太空中看起来,地球特别不安全,整个飘飞在太空中,生怕它飘跑了。其实不仅翟志刚这样说,参与过太空行走的宇航员都会被这个场面震撼到,一颗蔚蓝色的星球,悬浮在黑色的宇宙中,看起来非常不真实,但那确确实实是我们的地球。没有任何支撑,地球是如何飘的?它不会落下吗?

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重力

我们知道,地球上的所有物体都会落下,这是因为地球有重力。其实不单单是地球,任何星球都有重力,只不过重力加速度不一样。在地球上,无论站在什么位置,物体所受到的重力都是指向地球中心的,即使人站在南极,她有一头飘逸的长发,也不会有长发飘到头顶上方的事情发生。

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地球的重力是它的引力在地球表面的表现形式。地球的质量大约5.965×10²⁴kg,根据万有引力公式,我们可以计算出人与地球之间的引力。进而有算出重力加速度。人的质量很小可以忽略不计,但是地球的质量太大了,根本就忽视不掉,因此人不依靠外力是无论如何都跑不出地球的,就像孙悟空逃不出如来的手掌。

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其实何止是人类,月亮的质量有7.342✕1022 ^22kg,这么重的质量,依然得乖乖绕着地球旋转,可见地球的引力有多么巨大。在地球上完全只依靠重力实现的运动叫做自由落体,在完成自由落体的时候,物体的重力加速度为g,大约为9.8m/s2。那么地球在宇宙中有重力吗?答案是没有。

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地球身处宇宙之中,宇宙没有所谓的重力,它时刻都是失重状态,你看翟志刚和王亚平和地球一样,都是飘在太空中的,唯一不同的是,如果他们两个挣脱了神舟十三号的保险绳飘向太空,他们很有可能会被地球吸回来。地球在太空中只会受到万有引力的吸引。

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万有引力

万有引力是力学之父牛顿的经典理论,因为被一个苹果砸中脑袋而得到,一时间传为佳话。它不仅存在于天体之间,还存在于任何两个物体之间,公式为F=Gm1m2/r2。其中G是万有引力常量,也就是说,万有引力的常量是不会变的,影响万有引力的因素完全在于两个物体的质量和两者的距离。

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万有引力的诞生,是人类科学上的一次重要进步,人类的宏观第一次可以超越地球。根据万有引力可以计算出一些天体的质量。我们现在使用的太阳系各大星体的数据,在人类没有发射卫星之前就已经算出来了,随后在航天探测器的帮助下,将数据进行更精确的修正。早期的天文学家利用万有引力发现了哈雷彗星,以及还有被当成第九颗行星的冥王星。

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前面说过,地球处在失重的宇宙中,没有重力,但地球受到太阳的引力,围绕太阳旋转。此外,地球与其他星体之间也存在作用力,只不过,这个力比起太阳与地球产生的万有引力来说不值得一提。因此,这些力并不会让地球离开太阳的怀抱,只是会让地球的轨迹发生一定的偏移。地球围绕太阳运行的轨迹并不是一个标准的圆,而是一个椭圆。

太阳的质量实在太大,占据整个体系的99%,所以太阳系的几乎所有的星体都不可能在没有外力的情况下逃出太阳系,就如地球上的物体没有外力是不可能逃离地球一样。我们可以根据万有引力,推导出三大宇宙速度。

三大宇宙速度

发射人造卫星的时候,发射速度必须要大于第一宇宙速度7.9千米/秒,才能将卫星成功送入地球的轨道。而在围绕地球进行匀速圆周运动的时候,速度又不能大于这个值,否则进行的就不是轨道为圆形的匀速运动,而是椭圆形轨道的围绕运动。

当航天器想要逃脱地球的引力,飞向别的太阳系星体时,需要满足第二宇宙速度,最小速度不低于11.2千米/秒,才能从地球的引力中逃走,因此又称逃逸速度。不过也有例外,那就是飞向月球的时候,不用达到这个速度。

因为月球是地球的天然卫星,它还处于地球的引力范围内,根据阿波罗计划的计算,去往月球只需要达到10.8千米/秒的速度即可。

我们将离太阳无穷远的地方的势能假设为零,经过计算,这个速度就是飞离太阳所需的临界速度,也是需要达到的最小速度,叫做宇宙第三速度,大小为16.7米/秒。这其中并没有考虑其他行星的影响,如果真的要飞离太阳系,实际的速度要比第三宇宙速度大。

目前人类已经实现了人造卫星围绕地球运转、登陆月球、在另外三个岩石星球上放置探测车、发射围绕木星、土星、天王星和海王星的探测器,还发射了探索太阳系边界的旅行者1号和2号等等。

宇宙中已经有数不清的探测器漂浮着,它们同地球一样,没有落下去,而是漫无目的地在太空中流浪,它们中的大多数围绕着地球运转。三大宇宙速度人类的飞行器都达到过速度值,只是人类并没有实现飞跃太阳系。

运动的宇宙

地球虽然不会在宇宙中进行自由落体运动,可并不代表,地球不会向下运动。在宇宙中,地球的位置时刻都在发生变化,很有可能下一秒它就运动到了之前位置的下方。许多人都认为,地球只是单纯地围绕太阳做平面运动,其实不然,地球甚至整个太阳系,甚至太阳系所在的银河系,每时每刻都在运动。可以这样说,宇宙中就没有静止的物体。

宇宙的直径是960亿光年,地球乃至整个太阳系对它来说,是小得不能再小的存在。在宇宙中,引力比太阳大的星体比比皆是,太阳虽然在太阳系是绝对的主宰,但是放在宇宙,它就是弟弟般的存在,大哥到处都是。

太阳本身也有公转,天文学家预计,在太阳所处的银河系中心,有一个巨大的黑洞,它带领着太阳以及其他恒星系运动,地球作为太阳系的一部分,也自然而然地跟随太阳改变位置。

但银河系并不是宇宙中最大的天体单位,银河自身也会运动,因此地球又会因为银河系的位置改变而改变。所以,如果时间足够,地球也许在运动过程中到达过宇宙的很多角落。地球不会落下去,但地球会向下运动。那为何我们的宇航员在太空中看不到地球位置的改变呢?

观察运动需要找参照物,可我们身处在太阳系中,整个太阳系的星体成为了一个整体,每个成员之间的位置相对来说没有任何变化,想要知道位置改变,需要寻找太阳系以外的星体作为参照。但是宇宙太大了,人类无法给宇宙的区域具体划分区间,加上宇宙一片漆黑,我们无法观测到自己的位置,更不知道别的星球到底运动到哪里了。宇宙是由原子构成的,因此它是原子宏观的表现,我们可以观察原子内部就可以推断宇宙

在原子中,电子围绕原子核运动,每时每刻位置都在改变,我们只能根据电子出现在各个位置的概率,假设出它的轨道。因此我们将宇宙看成一个巨大的原子,里面的天体是电子,它们围绕宇宙的一个中心运动,位置时刻在变化,也就是说,这些天体的轨迹只是它们出现概率的集合,并不是一个实际的轨道。

我们是否可以认为,地球围绕太阳的轨道,也只是地球出现在太阳系内的概率集合,我们认为的轨道可能实际上并不是地球的运动轨迹。

渺小的人类

地球对于人类来说,非常重要,人类无法完全做到离开地球生活。即使是在空间站上的宇航员,他们执行任务的时间也不能太长,况且,空间站利用的就是地球的引力来围绕地球运动,如果不依靠地球,它必须时刻输出能量。可以说地球在人类面前无所不能,人类在地球面前非常渺小。

而对于宇宙来说,地球只不过是一个平常的天体,即使哪一天地球爆炸了,对于宇宙来说也不过是多了一朵星云,这种平平无奇的事情。宇宙的年龄超过了140亿年,地球不过才46亿年而已,而人类的历史更短,才200多万年。这个时间放在宇宙里,可能就是某个恒星闪一下。然而,这么渺小的人类进入了宇宙,难道不是一件很伟大的事情吗?

关于作者: 答案在这儿

深耕疑问,重在科普,尽量专业,解析几何。

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