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每秒464米,地球旋转超音速!为什么海水没有被全部甩到赤道?

地球自转超了音速!

毛泽东在他《七律二首・送瘟神》一诗中写下“坐地日行八万里,巡天遥看一千河”。诗人提及的“一千河”是虚指,形容浩瀚宇宙中有许许多多像银河系这样的星河;而“八万里”则是实数,指的是地球自转一天中赤道行进的里程。

坐地日行八万里,地球转得很快

地球赤道的周长大约是40076公里,地球每24小时自转一周,你在赤道坐着不动也随之“行进”了80152里路,每小时前进1670公里,也就是说你每秒钟要“走”464米!

声音在海平面的速度是340米/秒,地球自转在赤道的线速度远远超过了音速,实际上在北纬40°线以南(北京市以南)的我国大部分地区,地球自转的线速度都超过了音速。

地球不同纬度的线速度

玩过转雨伞吗?

下雨的时候,孩子们经常喜欢把雨伞转着玩儿,水滴会顺着伞边缘向四周飞散开来,很是有趣。当然你在玩的时候需要小心,别把周围人的衣服打湿。

转雨伞,把水甩出去

当我们转动伞柄,雨伞会快速旋转起来,伞面上的水也随之旋转,当伞提供的向心力不足以留住水滴时,水会在重力和离心加速度的双重作用下迅速向边缘移动,并且沿切线方朝向四周飞洒出去。

牛顿的水桶实验

链球运动员通过快速的旋转使球产生切线方向的速度,这个速度会形成一个向外的惯性力(许多人习惯称“离心力”),运动员拉拽球的力被称为向心力,当运动员松开手,失去向心力的链球就会向外飞到很远。

利用旋转的惯性力投掷链球

如果把链球换成半桶水会怎么样?只要你挥动胳膊的速度足够快,即便水桶在头顶上方完全倒扣过来,水也绝不会洒出一滴。

甩水桶

俗话说“水往低处流”,受重力影响,水会从势能高的地方自然流向执能低的地方。一桶水放在地上不动它,因为受到的重力势能相等,水面会是平的。艾萨克・牛顿做过一个实验,他让一个装了水的桶旋转起来,发现水会向桶壁靠近,从而使水面产生一个抛物面的形状,这个时候水的等势面就变成了一个抛物面;假如旋转的速度再快些,水可能会洒出来。

牛顿水桶实验

其实离心运动的应用今天早已经深入到每个家庭,洗衣机就是利用高速旋转所产生的离心加速度来给衣服脱水。

那么问题来了:地球有71%的面积被海水覆盖,海洋几乎贯穿南北极,地球的自转速度有这么快,为什么海洋里的水没有因为强大的离心运动而全部汇聚到赤道呢?

海水为什么不被甩到赤道?

是什么力把海洋留在了原地?

自从海洋在地球上形成时起,它就一直跟随着地球转动。海水是流动的,随着地球的自转,海水自然也会受到离心加速度的影响朝势能更低的地方运动。

如果地球是一个标准的圆球体,在地球表面任何一点的重力方向都指向地心,同时地面的支持力也会指向与重力完全相反的方向。随着地球的自转,圆周运动的旋转加速度会产生一个与纬度面平行的惯性力f,因此海水会被这个力带到赤道附近。

水在旋转圆球体表面会朝赤道移动

但是地球并非完全规则的圆球,它实际上是一个“两极稍扁、赤道略鼓的”椭球体。这意味着只要海水不在赤道或两极,它受到的支持力与重力并不重叠,而是呈现一个倾向两极的夹角,这个夹角会产生一个合力,将海水向两极方向拉。

椭球体表面重力与支持力会形成一个指向极点的合力

由于重力G与支持力N的合力与旋转造成的惯性力f相抵消,所以海水总体上处于势能平衡的状态,它既不会流向北极,也不会因为离心运动而全部涌向赤道。

地球是一个旋转的椭球体

正确理解角速度与线速度的关系

当听说“坐地日行八万里”、“呆在家里超音速”时,你是不是觉得很惊讶?确实,我们跟随着地球一起转动,根本就没感觉到它转得这么快。实际上如果你跳出地球,站在太阳系的角度来看它,就会发现其实地球转得并不快,它一个小时才转15°,一天才转一圈。

地球表面大部分地区自转线速度很快,南北纬40°以内的地区甚至超过音速,这主要是因为地球很大,它的平均半径达到6371公里,即便24小时转一圈,它表面的速度也会很快。

但要是一桶水24小时才转一圈,水面会发生什么变化?几乎不变,对吧!

地球的洋流

地球上的海洋并不静止,受不同区域海水温度变化以及科里奥利力的影响,海洋中形成多股循环运动的洋流,但海洋总体上处于相对平衡的状态,这是地球形状与自转惯性力达成平衡的结果。