地球 自转 加快 一天 已 不足 24小时 ！地球 如何 形成 ？谁 推动 它 旋转？ (2)
其實 傅科擺 的 原理 並 不是 很難
我們 來看 這樣 壹種 情景
我們 知道 地球 是 有 壹個 轉軸 的
地球 的 轉軸 如果 從 北極 看 的話
地球 是 逆時針 旋轉 的
那 麽 假如 我們 在 北極
我們 放壹個 單擺 會 有 什 麽 情景 呢
單擺 就是 壹根 繩子 拴 個 重球
它 就 會 左右 的 擺動 是 吧 左右 的 擺動
單擺 具有 壹個 穩定性
這個 穩定性 就是說
哪怕 妳 旋轉 外邊 這個 單擺 的 框
它 中間 那個 擺動 平面 是 不變 的
就是 比如說 我 這 單擺 我 是 這樣 擺 的 是 吧
此時 的 我 使 我 這個 人 轉動 了
但是 我 這個 單擺 的 平面 它 不變
還是 這個 方向 還是 這個 方向 對 吧
它 永遠 這個 方向
不管 妳 這邊 框 怎 麽 轉
它 裏邊 這個 擺 的 平面 它 是 不變 的
那 咱們 想象 壹下
假如 我們 在 北極 放 了 這樣 壹個 單擺 的話
當 地球 在 自轉 的 時候
這個 框 就 會 跟 著 地球 壹起 自轉
但是 它 那個 擺動 平面 是 不變 的
所以 如果 我們 站 在 地球 上去 觀察 這個 問題
妳 就 會 覺得 好像 是 這個 框 沒有 動
而 這個 擺動 平面 在 反向 旋轉 壹樣
地球 是 逆時針 旋轉 的
妳 看起來
這個 擺動 平面 就 好像 是 順時針 旋轉 壹樣
而且 地球 二十四 小時 轉壹圈
妳 就 會 感覺 到
這個 擺動 平面 好像 是 二十四 小時 轉壹圈 壹樣
是 吧 這個 原理 就是 這個 傅科擺 的 原理
當然 傅科 當時 不是 在 北極 做 的
他 是 在 巴黎 做 的 在 巴黎
巴黎 的 這個 緯度 大約 是 北緯 48 度
大約 是 這個 數
傅科 是 在 1851 年 的 時候
在 巴黎 有壹個 叫做 先賢祠 的 地方
先賢祠
有 同學 要 去過 巴黎 的話 可能 是 知道 這個 地方
在 這兒 安裝 了 壹個 巨大 的 單擺
這個 單擺 的 擺長 有 67 米
然後 在 巨大 的 擺長 下面 掛了 壹個 很重 的 重錘
有 28 千克
重錘 底下 帶壹個 尖 然後 底下 有個 沙盤
那 麽 正常 來講
妳 讓 這個 東西 擺起來 之後 它 應該 是 啥 樣 呢
妳 讓 它 擺起來 之後
它 應該 就是 比如 左右 擺 它 就是 左右 擺
但 事實上 他 發現 不是 這樣 的
它 在 左右 擺 的 時候 會 歪
它會 歪 歪 歪 是 吧
然後 再 歪 歪 ...
然後 再 歪 再 歪 ...
就是 這樣 它會 壹直 這 麽 偏 妳 知道 嗎
它會 壹直 這樣 偏
我畫 得 不太好 看 反正 大概 這 意思
它 就 會 壹直 這樣 偏
每過 壹 段時間 它 就 會 轉壹圈
這 就是 傅科擺 的 這種 情景
因為 它 底下 是 個 沙盤
所以 妳會 看到 它 這個 線 在 不停 地 改變
按照 我們 現在 的 計算 來看
這個 在 巴黎 這個 地方 它 的 這個 擺動 周期
是 t₀/sinθ
這個 t₀ 就是 地球 的 自轉 周期 也 就是 24 小時
而 這個 sinθ θ 角 就是 48 度
巴黎 的 這個 緯度
妳 通過 這個 計算 妳會 發現
這個 周期 大約 是 32 個 小時
也 就是 看起來 的話 妳 只要 花 16 個 小時
整個 這個 沙子 都 會 被 畫滿 對 吧
畫出 壹個 非常 漂亮 的 曲線
而且 因為 它 這個 盤子 非常 非常 大
妳 就 會 發現 它 每 擺壹次 它 就 會 有 3 毫米 的 偏差
妳 就 在 這邊 站 著 妳 就 會 發現
上壹次 擺動 的 這個 最遠 的 地方
和 下 壹次 擺動 最遠 的 地方
它們 之間 就會 差出 3 毫米 來 是 吧
就會 差出 3 毫米 來
那 麽 這個 實驗 讓 大家 相信 了
原來 我們 腳下 的 地球 真的 是 在 旋轉 的
這 就是 傅科擺 的 實驗
它 證明 了 地球 是 在 旋轉 的
那 麽 地球 的 自轉 可以 變快 或者 變慢 嗎
那 我們 來 討論 壹下 自轉 的 速度
在 地球 形成 的 時候
地球 的 自轉 速度 的確 會變
因為 它 逐漸 地往 裏邊 聚集 是 吧
星際 物質 越往 裏 聚集 的 時候 轉動 速度 就 越 快
我們 剛才 說 了 這是 角動量 守恒
但是 在 已經 形成 地球 之後
事實上 自轉 速度 也 會 有 變化
那 麽 這個 變化 體現 在 長期 和 短期 兩個 方面
先說 長期
長期 來講 地球 的 自轉 速度 壹定 是 減速 的
地球 自轉 速度 在 長期 減速
這個 原因 是 什 麽 呢
這個 原因 就是 因為 潮汐 力 的 影響
或者說 因為 潮汐 鎖定
我們 在 之前 其實 是 講到 過 潮汐 鎖定 這個 問題 的
咱們 再來 復 習壹下
比如說 這是 地球
這是 地球
旁邊 有壹個 月亮
因為 有 潮汐 力 的 影響
月亮 其實 是 被 地球 給 拉長 了
我畫 得 有點 誇張 實際上 沒有 這 麽 誇張
那 麽 月球 的 這個 長軸 它 壹定 要 朝向 地球 是 吧
月球 公轉 壹圈 自轉 壹圈
所以 它 這個 長軸 壹直 朝 地球
為什 麽 呢
假如 不朝會 如何 呢
比如 因為 某些 原因
月球 的 自轉 和 公轉 不是 同步 的 了
這樣 壹來 月球 某個 時候 長軸 可能 不朝 地球 了
這樣 壹來 它 離 地球 近 的 這壹端
就 會 受到 壹個 比較 大 的 力
而離 地球 遠 的 這壹端 雖然 也 受力
但是 這個 力會 比較 小
這樣 壹來 這個 力 的 差 或者說 這個 力矩 之差
就 會 使 月球 再 恢復 到 原來 的
這個 軸 直接 朝著 地球 的 狀態
所以 長期以來 月球 就 被 地球 給 鎖定 了
也就是說 月球 的 自轉 周期 和 公轉 周期
是 完全 壹樣 的 是 吧
其實 潮汐 鎖定 現象 在 太陽系 中 非常 常見
比如說 木星 和 它 的 衛星 就 有 潮汐 鎖定
把 衛星 給 鎖定 了
土星 和 它 的 衛星 也 有 潮汐 鎖定
冥王星 和 卡戎 就 更 搞笑 了
冥王星 和 它 的 衛星 卡戎 相互 鎖定 是 吧
咱們 倆 互相 看著 對方 然後 彼此 這 麽 轉 是 吧
太陽 也 會 鎖定 比如 太陽 就 鎖定 了 水星
這些 都 是 潮汐 鎖定 的 現象
那 麽 潮汐 鎖定 其實 是 相互 的
地球 在 鎖定 月球 的 同時
月球 也 會 反向 給 地球 壹個 影響
它 希望 把 地球 也給 鎖定
只不過 這個 時間 還 不夠 長
其實 在 月球 的 影響 下
地球 的 自轉 周期 已經 從 很多年 前 的 8 小時 壹天
變成 現在 的 24 小時 壹天
所以 地球 的 周期 確實 在 不停 地 延長
自轉 速度 確實 在 不停 地 減緩
只不過 時間 還 不夠 長
只要 時間 足夠 長 地球 也 會 被 月球 鎖定
壹天 就是 壹個 月 是 吧
只不過 那 是 很多很多年 之後 的 事情 了
在 太陽 變成 紅巨星 把 地球 吞沒 之前
可能 都 不會 發生
但是 確實 地球 的 自轉 周期 會 越來越 長
周 轉速 度 越來越 慢
所以 為 了 調和 這個 時間差
人們 就 發明 壹個 東西 叫 閏秒 是 吧
每過 壹 段時間
我們 就 加壹 秒 加壹 秒 加壹 秒 是 吧
在 最近 幾十年
人類 加 閏秒 已經 加 了 好 幾十秒 了 是 吧
所以 這個 壹天 的 時間 確實 是 越來越 長 了
但是 這 2020 年 卻 出現 了 壹個 反常現象
說 壹天 的 時間 變短 了
這是 為 什 麽 呢
這是 因為 短期 還會 有 壹些 其他 因素 的 影響
但是 短期 的 影響 是 不定 的
有 可能 會 使得 地球 自轉 加快
也 有 可能 會 使得 地球 自轉 減慢
我們 舉 幾個 短期 影響 的 例子
比如說 第壹個 就是 季風 的 影響
我們 知道 不同 的 季節
風 的 這個 吹 向 是 不壹 樣 的 對 不 對
妳 比如說 有 壹 段時間
因為 風 的 質量 也 很大
比如 有 壹 段時間 這個 風往 赤道 吹
大量 的 物質 就 被 帶到 赤道 這來 了
大家 看
因為 地球 是 有 壹個 自轉軸 的
當 妳 把 壹 大堆 的 物質 帶到 了 赤道 的 時候
妳會 發現
它 距離 轉軸 的 距離 是不是 變大 了 對 吧
妳 如果 到 轉軸 的 距離 是 變大 的
那 麽 根據 剛才 我們 的 說法
這個 r 變大 的 時候
根據 角動量 守恒 它 ω 會 變小
也就是說 妳 地球 就會轉 的 變慢
反過來說
也 有 的 時候 風 可能 會 從 赤道 往 兩極 吹
如果 從 赤道 往 兩極 吹
說明 了 大量 的 質量 離 轉軸 近 了
r 變小 ω 變大
那 妳 轉的 不 就 變快 了 嗎
所以 在 壹年 之中
它 壹天 的 時間 是 會 有快有慢 的
這 可以 是 由於 季風 的 影響
除了 季風 以外
妳 比如說 這個 溫室效應 也 有 可能
說 溫室效應 為什 麽 有 可能
比如 地球 有個 冰山 在 這兒 對 吧
上面 全都 是 冰
結果 因為 溫室效應 這冰化 了
冰化 了 之後 妳 看 它 往 哪流
如果 冰化 了 之後
它 流到 了 北極 或者 是 待 在 自己 這個 地方
這個 時候 就 說明 它 的 這個 r 減小 了
根據 角動量 守恒 r 減小 ω 會 增大
ω 壹旦 增大 了 它轉 的 就 變快 了
但 也 有 可能 它 這個 水流 到 赤道 這來 了
流 到 赤道 這來 之後 它 可能 r 變大 了
r 壹旦 變大 了 的話 它 ω 怎 就 減小 了
它轉 的 就 變慢 了 對 吧
所以 這個 影響 也 是 不定 的
第三個 就 比如說 是 這個 板塊 運動 是不是
那個 板塊 上面 有 很多 質量
妳 往 赤道 飄 r 就 大 轉的 就 慢
妳 往 兩極 飄 r 就 小 轉的 就 快 是 吧
壹天 的 時間 也 會 有 影響
第四個 妳 比如說 像 這個 巖 漿 活動
我們 要 知道
這個 地球 內部 其實 還是 溫度 非常 高 的
裏邊 有 巖 漿 是 吧
這個 巖 漿 它 也 會 活動
有 的 時候 這個 巖 漿 可能 是 往 地面 上 出來 噴發
也 有 的 時候 它 可能 是從 上面 往 底下 走
如果 妳 往 地面 上 走 的話 妳 離 轉軸 就 遠 了
離 的 轉軸 越遠 相當於 把 胳膊 伸 出來 r 變大
所以 ω 變小 那 妳 轉的 不 就 慢 了 嗎
如果 妳 反過來說
妳 這個 巖 漿 往 地球 中心 落 那會 有 什 麽 結果
妳 r 變小 了 ω 變大
轉的 不 就 快 了 對 吧
所以 這些 都 是 因為 角動量 守恒 造成 的 短期 影響
是 壹種 不定 的 影響 是 吧
那 麽 有 可能 就是 因為 這些 原因 的 影響
就 造成 了 我們 去年 的 這個 地球 的 自轉 的 加快 了
不過 這種 加快 是 壹種 短期 的 這個 效應
長期 來看 地球 還是 自轉 越來越 慢
壹天 的 時間 的確 還是 會 越來越 長 的
其實 我們 還 可以 再腦 洞 壹 下
比如說 有 的 時候
人類 的 活動 可能 也 會 影響 到 地球 的 自轉
說 人類 活動 為什 麽 也 能夠 影響 地球 自轉 呢
我們 從 北極 去 看
地球 的 自轉 方向 是 逆時針 的 對 吧
是 逆時針 的
如果 我們 人類 也 逆時針 旋轉
那會 有 什 麽 結果 呢
相當於 是 剝奪 了 地球 的 角動量
這樣 壹來 地球 就 會 轉得 稍微 的 慢壹些
反過來說 如果 我們 人類 要是 順時針 旋轉 呢
相當於 是 我 給予 了 地球 壹個 角動量
地球 轉的 就 會 快 壹些 是 吧
所以 如果 妳 遇到 了 妳 喜歡 的 人
妳 可以 逆時針 旋轉
壹天 的 時間 就 會長 壹點
如果 妳 遇到 妳 不 喜歡 的 人
妳 可以 順時針 旋轉
這樣 地球 的 壹天 的 時間 就 會 變短 壹些 是不是
挺 有意思 的
那 麽 給 大家 留壹個 思考題
我們 知道 我們 國家 的 汽車 和 行人
都 是 靠 右側 通行 了 對 不 對
假如 我們 國家 有壹天 頒布 壹條 法律
說 所有 的 汽車 行人 都 必須 靠 左側 通行 的話
那 麽 請問
壹天 的 時間 會 變長 還是 會 變短 呢
大家 如果 知道 這個 問題 答案 的話
可以 在 評論 區 留言 告訴 我
大家 如果 喜歡 的 視頻
可以 在 YouTube 賬號 李永樂 老師 裏 訂閱 我
