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地球公轉(zhuǎn)一圈是多少(地球為什么存在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)?)
月亮繞著地球轉(zhuǎn),地球繞著太陽轉(zhuǎn),這屬于公轉(zhuǎn);而月亮、地球、太陽等星球,其自身都在繞著一個假想的軸旋轉(zhuǎn),這屬于自轉(zhuǎn)。
那么天體為什么會旋轉(zhuǎn)呢?地球誕生至今已有45億年的歷史,就讓我們通過地球的旋轉(zhuǎn)來揭秘這背后的原理。
什么是旋轉(zhuǎn)?所謂的旋轉(zhuǎn)就是物體繞一個點或者一個軸做圓周運動。最典型的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象就是“陀螺的旋轉(zhuǎn)”,陀螺就是繞著一個軸快速旋轉(zhuǎn)。需要注意的是,現(xiàn)實世界中許多天體的公轉(zhuǎn)軌道只是近似圓周,一般是橢圓,這與數(shù)學(xué)中對幾何圖形旋轉(zhuǎn)的定義略有不同。
旋轉(zhuǎn)有方向之分,在平面上通常分為逆時針旋轉(zhuǎn)與順時針旋轉(zhuǎn)。這個很好理解,旋轉(zhuǎn)方向跟鐘表中時針走的方向一致,被稱之為順時針旋轉(zhuǎn),反之則稱之為逆時針旋轉(zhuǎn)。
我們從數(shù)學(xué)角度說明一下。如下圖所示,平面被直角坐標(biāo)系分為4個限象,一個圖形繞著原點旋轉(zhuǎn),苦依次穿過4—3—2—1限象,這就是順時針旋轉(zhuǎn);若依次穿過1—2—3—4限象,則是逆時針旋轉(zhuǎn)。
太陽每天東升西落,那是因為地球繞著自轉(zhuǎn)軸自西向東轉(zhuǎn),從北極點上空來看地球是在逆時針旋轉(zhuǎn),而從南極點來看地球則是在順時針旋轉(zhuǎn)。可見,旋轉(zhuǎn)方向也是相對而言的,描述時需要有參考系作為依據(jù)。
宇宙中天體的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象1,天體的旋轉(zhuǎn)分為自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。
自轉(zhuǎn)是天體繞著自己的軸心做圓周運動,自轉(zhuǎn)軸一般會穿過質(zhì)心。天文觀測發(fā)現(xiàn),宇宙中幾乎所有天體都存在自轉(zhuǎn)。在理論中存在不自轉(zhuǎn)的天體,比如史瓦西黑洞,不過雖然該類黑洞不自轉(zhuǎn),但是黑洞周圍的吸積盤卻可能存在旋轉(zhuǎn)。
天體的自轉(zhuǎn)可以分為較差自轉(zhuǎn)和剛體自轉(zhuǎn),差別在于不同緯度上角速度是否相同,如果相同則是剛體自轉(zhuǎn),反之亦然。比如恒星以及氣態(tài)行星就屬于較差自轉(zhuǎn),而像地球這樣的巖石行星等天體則被認(rèn)為是剛體自轉(zhuǎn)。不過,剛體只是理想中的物體。
上圖為太陽的較差自轉(zhuǎn),由于不同緯度的角速度不同,自轉(zhuǎn)周期也不同。
而公轉(zhuǎn)是一個天體繞著另一個天體運動,公轉(zhuǎn)軌道一般為圓形或者橢圓。
在一些人的認(rèn)知中,在引力的作用下,小質(zhì)量的天體會圍繞著大質(zhì)量的天體公轉(zhuǎn),表面上看起來是這樣的,嚴(yán)格來說并不完全正確。比如地球繞著太陽轉(zhuǎn),更確切的說,地球是繞著地球和太陽的公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。由于太陽比地球質(zhì)量大很多,它們的公共質(zhì)心位于太陽內(nèi)部;木星的質(zhì)量比太陽系其它七大行星的總質(zhì)量還要大,而太陽和木星的公共質(zhì)心則位于太陽表面以外。
如圖所示,木星和太陽繞著公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。
2,太陽系天體的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象
在太陽系中,太陽位于中心位置,太陽周圍還有八大行星以及其它小天體(小行星、彗星),它們都在圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。地球就是八大行星中的其中之一。
地球繞著地軸自轉(zhuǎn),同時又繞著太陽公轉(zhuǎn),地球自轉(zhuǎn)一圈約24小時、公轉(zhuǎn)一圈約365天(1年)。月球也與之類似,既繞地球公轉(zhuǎn)、又在自轉(zhuǎn),自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期都是232天。太陽是銀河系中的其中一顆恒星,太陽除了自轉(zhuǎn)還繞著銀河系中心公轉(zhuǎn),公轉(zhuǎn)一圈大約需要2億多年。
3,銀河系本身也存在自轉(zhuǎn),那銀河系又繞著什么公轉(zhuǎn)呢?
銀河系和仙女座星系約50多個星系共同構(gòu)成了本星系群,本星系群的質(zhì)心位于銀河系和仙女座星系之間,它們除了繞著這個公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn),還在引力的作用下以螺旋方式相互靠近,幾十億年之后,銀河系和仙女座星系會合并。
銀河系連同本星系群一起圍繞著室女座超星系團(tuán)的中心旋轉(zhuǎn),而這個中心就位于室女座星系團(tuán)。銀河系位于室女座超星系團(tuán)的邊緣,據(jù)估計,銀河系公轉(zhuǎn)一圈大約需要耗時1000億年。室女座超星系團(tuán)由包括本星系群在內(nèi)的100多個星系團(tuán)或者星系群組成,跨度達(dá)1億光年以上,包含4萬多個類似于銀河系這樣的大小不一的星系。至于宇宙自身是否存在旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,這個就不清楚了。
通過上面的介紹,相信大家已經(jīng)對天體的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象有了深入的認(rèn)識,接下來我們該回到自己的家園了,來揭秘“地球為啥會旋轉(zhuǎn)?”。
地球為什么會旋轉(zhuǎn)?地球誕生至今已有45億年,地球一直在旋轉(zhuǎn),從未停歇,那么是什么力量在迫使它不停的旋轉(zhuǎn)呢?這要從公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)這兩個方面來回答。
萬物皆在運動。力不是維持物體運動的原因,但卻可以改變物體的運動狀態(tài)。在合外力為0的情況下,物體總是保持靜止或勻速直線運動,物體這種保持原有靜止或者運動狀態(tài)的性質(zhì)被稱之為慣性,我們通常用質(zhì)量來度量。天體的質(zhì)量越大,運動狀態(tài)越難被改變。萬物誕生于大爆炸,萬物運動的初始動力也來源于此。
太陽的引力是維持地球公轉(zhuǎn)的原因。太陽引力提供的向心力和地球慣性提供的離心力保持平衡,這使得地球不至于落向太陽或遠(yuǎn)離太陽,而是在一個固定的橢圓軌道繞太陽旋轉(zhuǎn)。
地球保持自轉(zhuǎn)狀態(tài)不需要外力來維持。太空是真空,沒有摩擦力,地球在太空中運動主要受太陽和月球引力的影響。幾十億年以來,太陽和月球的引力產(chǎn)生的潮汐作用就使地球的自轉(zhuǎn)速度越來越慢。在10億年前,地球上一天可能不到20小時。而物體保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)不變的性質(zhì),可以用轉(zhuǎn)動慣量來衡量。一個物體的轉(zhuǎn)動慣量越大,其保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)的能力也就越強。
那地球的旋轉(zhuǎn)是怎么產(chǎn)生的呢?
其實,不管是地球的公轉(zhuǎn)還是自轉(zhuǎn),產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的根本原因就是轉(zhuǎn)動慣性和角動量守恒。
至于角動量是如何產(chǎn)生的,這要從太陽系的起源說起。太陽系起源于星云,星云由大量的粒子構(gòu)成,粒子總是在不停的運動,粒子之間在引力的相互作用下產(chǎn)生了力矩,于是便會產(chǎn)生角動量。星云質(zhì)量分布不均勻,總角動量便不可能為0,于是整個星云體系便會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。星云在引力的作用下收縮形成恒星,新生恒星也會繼承原星云的角動量,并且在收縮的過程中,隨著半徑的減小,由于角動量守恒,旋轉(zhuǎn)速度便會加快。比如花樣滑冰運動中,運動員就能通過調(diào)整自身姿態(tài)來控制旋轉(zhuǎn)速度。
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