地球引力怎么形成的

　　接近地球的物體，無(wú)一例外地被吸引朝向地球質(zhì)量的中心，你知道地球引力是怎么形成的嗎?學(xué)習(xí)啦小編在此整理了地球引力形成的原因，供大家參閱，希望大家在閱讀過(guò)程中有所收獲!

　　地球引力形成的原因

　　很明顯，引力是存在于自然界中強(qiáng)度最小的相互作用力。最近還發(fā)現(xiàn)，A的數(shù)值也不是常數(shù)，而是隨著時(shí)間有緩慢的減少。它的這種變化，是由許多原因造成的，其中之一被認(rèn)為是由于地球半徑隨著時(shí)間而增加，這樣反過(guò)來(lái)，又必將對(duì)地球的發(fā)展歷史帶來(lái)深刻的影響?？墒?，所得出的A值變化速率是如此之小，以至于它在整個(gè)地球演化過(guò)程中，即在幾十億年的時(shí)間內(nèi)，其變化速率只大約為1%，所以在實(shí)際應(yīng)用上并無(wú)什么真正的價(jià)值。

　　由于地球(假定為m1)這個(gè)巨大質(zhì)量的存在，使得m2所產(chǎn)生的加速度，稱做重力加速度。它最早是被伽利略在意大利的比薩斜塔上測(cè)定的。在地球表面上這個(gè)數(shù)值一般定為980厘米/秒2，通常又將1厘米/秒2稱為“伽”(gal)，用以紀(jì)念這位偉大的科學(xué)家。重力場(chǎng)是守恒的，也就是說(shuō)在重力場(chǎng)中，移動(dòng)一個(gè)物體所做的功，獨(dú)立于它所經(jīng)過(guò)的路徑，而僅僅取決于它的終點(diǎn)。

　　事實(shí)上，假如該質(zhì)量最終轉(zhuǎn)到它原來(lái)出發(fā)時(shí)所處的位置時(shí)，其凈能量的消耗等于0，而不管它在其間所走過(guò)的道路是什么。這在自然地理面中，是可以很輕易得到證明的。尋常所見(jiàn)的水分循環(huán)，就是一個(gè)很好的說(shuō)明重力守恒的例子。一滴水從海洋面上被蒸發(fā)，克服重力，進(jìn)入大氣，這是外界做功的結(jié)果。待它由空中重新回歸到海洋時(shí)(而不管它是直接落入海洋，還是被運(yùn)送到幾千公里之外，又隨著河川逕流回到海洋來(lái)的)，放出了原先克服重力時(shí)的那部分功，遵循著重力守恒，使得凈能量的消耗等于0。類(lèi)似的例子，在地表面是很多的。

　　另外一種對(duì)重力守恒的表達(dá)方式就是：動(dòng)能和勢(shì)能之和在一個(gè)封閉體系中為一常數(shù)，這涉及到動(dòng)能與勢(shì)能的互相轉(zhuǎn)化，也是我們要經(jīng)常使用的一個(gè)規(guī)律。同時(shí)要記住引力是一個(gè)向量，它的方向是沿著地球的質(zhì)量中心與另外一個(gè)物體質(zhì)量中心的連線，這在進(jìn)行向量分析時(shí)，是極為有用的。地球表面的重力大小，一般來(lái)說(shuō)與五個(gè)因素有關(guān)，它們是地理緯度、海拔高度、周?chē)伢w的地形、地球潮汐與地表以下物質(zhì)的密度。這最后一個(gè)因子，僅僅在進(jìn)行重力測(cè)量中才有價(jià)值，一般情況下它對(duì)重力變化的影響，要比前四個(gè)因子的聯(lián)合效應(yīng)小的多。例如，從赤道到兩極，重力隨著緯度變化的數(shù)量大約為5伽，而油田勘探中的較大重力異常是10毫伽，只相當(dāng)于上述數(shù)字的1/500。在1930年，國(guó)際大地測(cè)量和地球物理協(xié)會(huì)采用了一個(gè)公式，給出了在地球這個(gè)橢球體上任意一點(diǎn)的重力加速度為：

　　g=g0(1+αsin2Φ+βsin22Φ) (5.9) g——重力加速度;g0——在赤道上的重力加速度，它等于978.0490厘米/秒2;Φ——緯度，常數(shù)α及β分別是0.0052884和-0.0000059。自從1930年以來(lái)，由于在重力測(cè)量中獲取了大量的資料，特別是通過(guò)人造地球衛(wèi)星的準(zhǔn)確測(cè)定，上式中的常數(shù)已經(jīng)有了進(jìn)一步的改動(dòng)。

　　從自然地理學(xué)的角度來(lái)看，我們的著眼點(diǎn)不在于尋求計(jì)算重力或進(jìn)行訂正的準(zhǔn)確公式，而在于利用這種重力分析的基本原理，闡述物質(zhì)在進(jìn)入自然地理面和輸出到環(huán)境時(shí)的受力狀況，在這些受力當(dāng)中，重力是特別應(yīng)當(dāng)考慮的一項(xiàng)。舉凡地形的改變、物質(zhì)的搬運(yùn)和堆積、氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)、水分的循環(huán)、生物的生長(zhǎng)，甚至于地球物質(zhì)的調(diào)整等，離開(kāi)了重力的分析，就不可能得出正確的結(jié)果。

　　前面已經(jīng)講過(guò)，重力最為明顯的表達(dá)，一般都在地球固體表面之上。在其下并非重力消失了，只是不容易有如固體表面之上那樣明顯地看出來(lái)罷了，此外作為研究的對(duì)象來(lái)說(shuō)，我們亦不去特別關(guān)注地層深處的重力狀況，而只接受它所帶來(lái)的對(duì)地表造成的后果。進(jìn)而看到，在海平面之上陸地面積約占全球總表面積的29%，以雨和雪降下來(lái)的水，必然經(jīng)受重力的作用回歸到海洋中去。這樣，每一次落到地表上的降水，都具有比例于本身質(zhì)量和海平面以上高度的乘積，這樣數(shù)值的能量，這就是它所具的勢(shì)能。在陸地地表，亦有個(gè)別的點(diǎn)低于海平面，例如我國(guó)的吐魯番盆地，美國(guó)加利福尼亞的死谷等，它們之所以能在陸面上保持這種例外的情況，一是由于其面積小，二是由于這些盆地均處于干旱區(qū)，很少有降水發(fā)生。假如把它們移到濕潤(rùn)地區(qū)，這種低于海平面的狀況決不會(huì)保持很久，在重力的參與下，很快就要被水充滿或被水所帶來(lái)的風(fēng)化物質(zhì)填注，以補(bǔ)足海平面在全球延伸中的“漏洞”。

　　重力在自然地理面中的表現(xiàn)，既平常又深刻，對(duì)此應(yīng)有充分的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)粗略地討論一下重力在改造地表形態(tài)上的作用。陸地表面由于風(fēng)化作用而造成的松散物質(zhì)，在一定的條件下，由于力的作用是要移動(dòng)的。

　　無(wú)論是從高處到低處的滾動(dòng)、滑落、崩塌，還是通過(guò)河流的輸運(yùn)，風(fēng)的挾帶等，其中一個(gè)極重要的因素就是重力的參與。我們以一個(gè)在坡面上運(yùn)動(dòng)的巖塊為例，簡(jiǎn)要分析一下重力的作用。由分析得知，重力的一個(gè)分力，即巖塊向下滑動(dòng)的力，比例于所處坡度的正弦，當(dāng)然還取決于這個(gè)坡面的摩擦系數(shù)。一克重的巖塊在坡度為45°時(shí)，向下滑動(dòng)的分力為0.7克;而當(dāng)該坡度等于60°時(shí)，這個(gè)分力將增加到0.87克。由于摩擦系數(shù)很少有大于1的狀況，因此單憑摩擦系數(shù)的阻抗，在坡度大于45°時(shí)，將支持不住重力所引起的向下滑動(dòng)的分力。事實(shí)上，比40°更為陡峭的自然坡度在全球是很少見(jiàn)的，因?yàn)槿绻谐?0°的角度時(shí)，重力作用將比較迅速地對(duì)此加以改變，由此可以看出重力改變地表形態(tài)的作用來(lái)。

　　擺脫地球引力

　　自古以來(lái)，人類(lèi)就用種種美麗的飛天神話和傳說(shuō)來(lái)寄托遨游環(huán)宇的夢(mèng)想。人類(lèi)為什么不能飛離地面呢?是缺少一對(duì)翅膀么?但是，許多勇敢者模仿鳥(niǎo)類(lèi)用人造翅膀飛行的嘗試都失敗了。理論研究證明，由于生理上的局限，人類(lèi)永遠(yuǎn)不可能用肌肉的力量在空中支持自身的重量。1686年，牛頓揭開(kāi)了這團(tuán)迷霧。他在這年發(fā)表的《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中指出，任何兩個(gè)物體間都有相互吸引力，由此創(chuàng)建了萬(wàn)有引力定律，即引力的大小跟它們的質(zhì)量成正比，跟它們之間的距離的平方成反比。由于人與地球質(zhì)量相差太懸殊，所以人總是被地球強(qiáng)大的引力所束縛而不能離開(kāi)地面。

　　現(xiàn)在問(wèn)題已經(jīng)明朗了，要離開(kāi)地面，就要克服地球引力。但如何才能克服地球引力呢?要使一個(gè)物體離開(kāi)地球，必須沿著地球引力相反的方向(即向上)對(duì)它加力，使它作加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它達(dá)到一定速度時(shí)停止加力，它就能以慣性一直向前脫離地球。這個(gè)速度可通過(guò)地球的質(zhì)量和物體與地心的距離計(jì)算出來(lái)。物體在地球表面上(即距離為地球的半徑)飛行時(shí)，這個(gè)速度為11.2千米/秒，叫做脫離速度或逃逸速度——是速度戰(zhàn)勝了引力。

　　物體達(dá)到11.2千米/秒的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)能擺脫地球引力的束縛，在擺脫地球束縛的過(guò)程中，物體在地球引力的作用下并不是直線飛離地球，而是按拋物線飛行。脫離地球引力以后在太陽(yáng)引力作用下繞太陽(yáng)運(yùn)行，若要擺脫太陽(yáng)引力的束縛飛出太陽(yáng)系，物體的運(yùn)動(dòng)速度必須達(dá)到16.7千米/秒。那時(shí)將按雙曲線軌跡飛離地球，而相對(duì)太陽(yáng)來(lái)說(shuō)它將沿拋物線飛離太陽(yáng)。

　　人類(lèi)的航天活動(dòng)，并不是一味地要飛離地球，當(dāng)前的應(yīng)用航天器，需要繞地球飛行，即讓航天器作圓周運(yùn)動(dòng)。我們知道，物體作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力。因此，要讓航天器作圓周運(yùn)動(dòng)，必須始終有一個(gè)與離心力大小相等、方向相反的力作用在航天器上。在這里，我們正好可以利用地球的引力。因?yàn)榈厍驅(qū)ξ矬w的引力，正好與物體作曲線運(yùn)動(dòng)的離心力方向相反。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在地面上，物體的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到7.9千米/秒時(shí)，它所產(chǎn)生的離心力，正好與地球?qū)λ囊ο嗟?。這個(gè)速度被稱為環(huán)繞速度。

　　上述使物體繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)的速度被稱為第一宇宙速度;擺脫地球引力束縛，飛離地球的速度叫第二宇宙速度;而擺脫太陽(yáng)引力束縛，飛出太陽(yáng)系的速度叫第三宇宙度。根據(jù)萬(wàn)有引力定律，兩個(gè)物體之間引力的大小與它們的距離平方成反比。因此，物體離地球中心的距離不同，其環(huán)繞速度(第一宇宙速度)和脫離速度(第二宇宙速度)有不同的數(shù)值。那么，航天器能否在200千米以下繞地球飛行呢?理論上不僅航天器可以，而且汽車(chē)、火車(chē)和飛機(jī)，都能以慣性繞地球運(yùn)行。但實(shí)際上不僅汽車(chē)、火車(chē)、和飛機(jī)不行，航天器也不可能，因?yàn)槟抢镉休^濃密的大氣，大氣阻力會(huì)降低航天器的運(yùn)行速度。速度降低意味著離心力減小，航天器就會(huì)在地球引力作用下，沿螺旋線軌跡落向地球。若要維持宇宙速度，則需要攜帶大量燃料來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力，以連續(xù)的動(dòng)力來(lái)克服空氣阻力。不靠慣性飛行，而靠動(dòng)力飛行，這就與航空器沒(méi)有區(qū)別了。而且，如果航天器高速在稠密大氣層中飛行，氣動(dòng)加熱帶來(lái)的一系列問(wèn)題是非常難以解決的。為解決這些問(wèn)題，勢(shì)必大大增加航天器的質(zhì)量，這就又要求運(yùn)載火箭有更高的運(yùn)載能力，從而使成本極大地增加。