引力定律_宇宙奥秘

时间:2020-01-21  栏目:励志故事  

引力定律_宇宙奥秘

引力定律

一颗板球从你手中掉下来,它会落地。我们说球落地的原因是地球的引力在拉它。同样,一颗板球被抛向空中,它不会朝它被抛出的方向作永无休止的运动。真这样的话,它就会离开地球进入太空了。地球的引力使它免于这样的命运,它被慢慢拖下来,回到地上。我们扔球的速度越快,它落地前经过的距离越长。同样一颗球用大炮发射的话,它就要走上几英里远才能被拉回到地上。

万有引力定律操纵着所有上述现象。这道理很简单,是地球的引力使所有的物体以每秒钟16英尺的速度朝地球的方向回落。对于任何自由落体来讲,这都是对的。

为说明这个意思,假设从高地AA′的顶部A处水平方向射出一颗子弹。如果子弹不被地球引力朝地球方向牵引,它就会沿AB线作无限的旅行,直至太空。如果AB是它在这种假想的条件下所行走的路线,实际飞行1秒钟末时发现子弹并不在B点,而是由于地球引力的牵引,在飞行过程中被拉下16英尺。假设BB′刚好就是16英尺,则子弹在整整1秒钟后应击在地面B′点上。

另一个例子,假设子弹被拉下16英尺的点不是B′而是b点,b点与子弹发射时A点的高度相同,如果地球引力不起作用,子弹沿AB行走,它距地球的高度就会增加。可实际上在我们目前考虑的情况下,地球引力使子弹下落,到b点后刚好抵消了这种高度的增加,子弹既不能飞向太空,也落不到地上,而是不停地在同一高度上绕地球做圆周运动。(www.tshiny.cn)

一个简单的几何算式表明:假设Bb为16英尺,1秒钟所行的AB距离就该是25 880英尺或4.90英里。(设C为地球的中心,bCD为过b点的直径,那么BA=Bb×BD,已知Bb=16英尺,BD比地球的直径4 190万英尺多16英尺。这样我们很快得出BA=25 880英尺。这个算式当然无视AA′的高度,因它和地球的直径比起来太微不足道了。)这样一来,如果你能按每秒钟4.90英里水平方向发射一颗子弹的话,它就会永无休止地绕地球做圆周运动,地球的引力刚好与子弹沿AB线飞行的力量抵消。

1655年,牛顿开始怀疑,月亮没有沿切线方向朝太空跑去,而一直绕地球做圆周运动,恐怕也是地球引力所致。从月亮到地球中心的距离是238 857英里,或是地球半径的60.27倍。根据它每个月(27天4小时43分11.5秒)绕地球做圆周运动的长度,我们算出它运行轨道的速度是每小时2287英里。1秒钟它将旅行3350英尺。如果保持严格的直线路线,它就会偏离地球0.004英尺,这样想保持实际绕地球的圆周轨道就必须每秒钟下落0.004英尺。这比地球表面上物体下落的速度慢得多。但牛顿推测当我们远离地球时它的引力会减弱。实际上,物体在地球表面下降的速度是月球在轨道上朝地球方向下落速度的3632倍。而3632正是60.72的平方(或3632=60.27×60.27)。据此牛顿认为月球的下落应当恰好是引力随距离的平方的倒数而减弱的量,也就是说它的减弱要像距离的增加一样迅速。正如我们后来会看到的,天文学用无数种方法证实了这条法则的正确性。牛顿因此提出了著名的万有引力定律。根据这个定律,任何天体(比如地球)的引力都根据离此天体距离的平方的倒数减弱。C.V.博伊斯(Boys)教授和其他人在实验室里测量了几吨铅产生的引力有多少,以此就很容易计算出地球得有多少吨重才能吸引外部的天体。结果是地球的质量必须刚好是6 000乘100万乘100万乘100万吨,写成6×1021吨。(这里,正如整本书中那样,我们用的衡制或是公制的100万克的吨,或2 204.5磅。1英吨2 240磅等于1.016公吨。6×1021意为6后面21个零。这种缩写计法是很重要的,使讨论天文数字时更简洁些。100万为106 100万乘以100万为1012,等等。类似的计法用来计算非常小的数字也很必要。10-21写成1/1021等等。这样6×10-6就成了6/1 000 000或0.000 006。)正如地球的引力使月球永远绕着它做圆周运动一样,太阳的引力使地球和其他行星绕着它做圆周运动。知道了任何行星的距离和它在运行轨道中的速度,我们就能算出每秒钟朝太阳方向回落的距离是多少。这就告诉我们太阳引力的量,从这个量我们算出太阳的质量肯定是地球的33.2万倍,或差不多是2×1027吨。无论用哪颗行星计算,我们都得出太阳的质量相同。这不仅使我们对我们的计算结果有了信心,而且也证实了牛顿的万有引力定律,因为如果它是不准确或是错误的话,各个行星不可能给我们讲述关于太阳质量相同的故事。爱因斯坦近来表明该定律不是绝对正确的。但这不准确的量小得难以觉察,除了最近的水星以外,即使在这里,这数量也小得用不着我们为了现在的目的去考虑它。

正如我们能通过研究由太阳和地球引力或如数学家们说的引力场吸引住的天体的运动测出它们的质量一样,我们能测出靠引力使第二个小天体绕其旋转的任何一个天体的质量。靠木星卫星的运行便能测出它的质量大约是1.92×1024吨,是地球的317倍,但只有太阳的1/1047。土星的质量是5.71×1023吨,大约为地球的94.9倍。

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