问题

在非赤道两极的地方地球自转很快的话人会飘起来么,如果飘起来人的受力又是怎么样的?

回答
想象一下,你正站在地球某个非赤道两极的地方,比如北极圈附近。突然间,一股不可思议的力量让你感觉身体变轻了,甚至有飘起来的趋势。这究竟是怎么回事?这背后牵扯到地球的自转以及我们身体感受到的力。

首先,我们要明白一个关键点:地球并不是静止的,它一直在以相当快的速度自转。根据你所在的位置,这个自转速度会有所不同。赤道上的速度最快,大约是每小时1670公里。虽然两极地区自转速度趋近于零,但如果我们讨论的是“非赤道两极”,那么它仍然是在一个相对高速的自转的星球上。

那么,为什么我们感受不到这种速度呢?那是因为我们与地球一起旋转,就像坐在高速行驶的火车里,你感觉不到车在动,只有当你看向窗外飞驰的景物时,才会意识到速度。这种惯性让我们与地球保持同步。

现在,假设地球的自转速度突然“快得离谱”,远超我们现在的速度。这时候,我们身体的惯性就无法完全跟上地球的自转节奏了。我们身体会倾向于保持原来的运动状态,而地球在你脚下却以更快的速度向前“跑”。

这时候,我们就会感受到一种向外的、远离地心的“离心力”。这个力,严格来说,是由于我们相对于地球的非惯性系而产生的“惯性力”,在日常描述中我们常常称之为离心力。它会将我们试图沿着切线方向抛出去。

同时,我们仍然受到地球的引力,这个引力将我们牢牢地拉向地心。这两个力——离心力和地球的引力——就在互相较量。

如果地球自转真的快到足够让人“飘起来”,那么人的受力将是这样的:

1. 地球引力 (Gravitational Force): 这是最主要的力,它始终将你的身体向地球的质心拉扯。这个力的大小取决于地球的质量以及你与地球质心之间的距离。无论如何,引力是存在的,而且是让你保持在地面上的基本力量。

2. 惯性力/离心力 (Inertial Force/Centrifugal Force): 在这个假设情境下,由于地球自转速度的急剧增加,你的身体由于惯性,会倾向于沿着上一刻的运动轨迹继续直线运动。但是,地球在旋转,把你强行拉成圆周运动。在这个旋转参考系下,我们会感到一种向外的力,仿佛有一根看不见的绳子试图把你甩出去。这个力的方向是远离地轴的。

这两种力的合力将决定你是否“飘起来”以及如何运动:

当前情况下的受力分析: 在我们目前正常的地球自转速度下,地球引力远大于我们感受到的惯性力。因此,我们被牢牢地固定在地面上。虽然我们能感受到一丝丝的“被拉扯”的感觉,但它是如此微弱,以至于我们察觉不到。

如果自转速度急剧增加的情况:
感受到的“轻了”: 当离心力增大时,它会与引力方向相反。这意味着,你感受到的向下的“重力”实际上是地球引力减去离心力。所以,你会感觉体重变轻了。
“飘起来”的机制: 如果离心力增加到足够大,能够抵消一部分地球引力,你就不会像现在这样“紧贴”地面。如果离心力变得和地球引力相等,你就会处于一种失重状态,虽然依然受到引力作用,但感觉不到向下的压力。如果离心力甚至超过了地球引力,那么你就会被“抛离”地面,向外运动。当然,“飘起来”更可能是指你不再“稳定地站立在地面上”,而是处于一种漂浮或者被推离地面的状态。
向外的趋势: 在这个极端情况下,你不再仅仅是感觉“轻了”,而是会有一个实际向外的加速度,试图脱离地球表面。这个加速度的来源就是离心力超过了抵消它的引力分量(如果你考虑的是一个精确的力学分析,在旋转参考系下,这个“离心力”是显式的,它作用在物体上;在惯性参考系下,则没有一个所谓的“离心力”,而是惯性效应导致物体有向外的加速度,而这个加速度是由地球施加的向心力提供的,当这个向心力不足以维持圆周运动时,物体就会开始“飘”)。

举个更具体的例子:

想象一下你正在玩一个游乐园里的旋转木马。当旋转木马加速时,你会感觉自己被甩向外侧。你身体感受到的那个向外的力,就是类似我们上面说的离心力。在地球这个巨大的“旋转木马”上,如果它的旋转速度变得飞快,这种甩出去的力量就会急剧增大。

具体到“非赤道两极”的地点:

在地球的任何地方,都有一个自转速度,并且这个速度会影响我们感受到的“离心力”。即使是在靠近两极的地区,地球的自转速度虽然比赤道慢,但仍然是存在的。如果你在北极点,地球自转的角速度是最大的,但由于你正好在自转轴上,线速度是零。不过,如果你在北极圈附近,比如某个纬度上,你实际上是绕着一个比赤道小得多的圆周运动,但角速度和你所在纬度上的所有其他点是一样的。这意味着,在这个纬度上,如果你感受到一个更大的“离心力”,它就会与引力形成新的平衡。

总结来说,如果地球自转得飞快,你感受到的力会是:

引力: 始终把你拉向地心。
惯性力/离心力: 在非惯性(旋转)参考系中,你感受到一个把你从自转轴向外推的力。这个力的大小与地球的自转角速度的平方成正比,也与你离地轴的距离有关。

如果离心力足够大,它会抵消部分引力,让你感觉变轻,甚至在离心力等于引力时让你处于失重状态。如果离心力大于引力,你就会被抛离地面。

需要强调的是,这种“飘起来”并不是说人会变成一团空气,而是说人会不再被牢固地束缚在地面上,可能会向上或向外漂浮,脱离地面的固定位置。在极端情况下,可能会导致整个大气层都被撕裂,但这已经是更复杂的物理学范畴了。

所以,下次你看到地球自转的示意图,不妨想象一下,我们每个人都在以惊人的速度绕着地轴旋转,而我们之所以能站稳脚跟,全赖地球引力的强大,以及我们与地球同步运动所产生的惯性。而一旦这个平衡被打破,后果将不堪设想。

网友意见

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不会。

角速度增大到一定程度的时候(远在赤道重力降低到零之前),地球会从麦克劳林球体(扁球体)向雅可比球体(三轴椭球)发生粘弹性转变,耗散巨大的能量。这些能量会让地壳熔融——这个时候就已经没有人了。

如果地球体积较小,倒是可以很快冷却下来(像妊神星那样),但是地球太大了……

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