万物皆有理 地球中的物理
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地球为什么是“圆”的

从太空回望,我们的地球看起来是圆的,但它刚“出生”时却是不规则的,甚至是有棱有角的。

地球由不规则形状变成如今的“圆球”,不是偶然,而是必然。因为在地球形成的过程中,始终有物理法则的“魔法”掌控着它,“逼迫”它朝着圆球演化。在自然界中,物体的能量越低就越稳定,所以,自然界中的物体,在没有外界因素干扰的情况下,总会自发地向能量更低、更稳定的状态转变。

打个比方,假如把质量相同的两个球A和B分别放在山顶上和山脚下,由于A球的位置比B球高,所以A球的重力势能就比B球大,而A球的稳定性却不如B球,因为它随时都可能从山顶上滚下来。如果没有外力的帮助,B球无论如何是不可能自己“跑”到山顶上去的。也就是说,B球不可能从重力势能低的山脚下,自发地“跑”到重力势能高的山顶上。

因此在体积相同的情况下,圆球表面积最小,能量最低,物体都“喜欢”把自己“打造”成圆球。

为什么表面积越小,能量就越低呢?

自然界有两种趋向:表面积趋于最小,能量趋于最低,这是自然界中最稳定的状态。这里涉及两个原理:

球状表面积最小原理

在等体积的情况下,球体的表面积最小。表面积越小,所耗费的能量就越低,因此自然界所有的物体都趋向于表面积最小。

能量最低原理

自然界一切物质变化的方向都是使能量降低,因为物体的能量越低,状态就越稳定。所以一个系统总是不断地自我调整,使得系统的总能量达到最低,并力争保持这种稳定状态。

对天体来说,球体表面各方向的引力相等,是最稳定的。那些最初不是球体的天体,只要质量足够大,引力就会使它们慢慢变成球体,即便质量不大,也有向球体变化的趋势。

那么,地球是怎么把自己变成“圆球”的呢?这其中有哪些科学奥秘呢?

约46亿年前,太阳形成后,一些碎石残骸相互吸引和碰撞,结合成了众多碎石堆,有些碎石堆渐渐形成了“胚胎行星”,其中就有我们的地球,我们将其称为“胚胎地球”。

此时,太空中的“胚胎地球”主要受两种力的作用。

一种力是因其自身质量而产生的引力,引力来自地球的中心,会把地球表面上的所有物体向中心“使劲拉”,这种“拉”力在所有方向上同时发生,只要有一丁点儿差别,引力就会不断地拉扯,使球体上的每一点受到的引力都相等,所以地球自身会不断调整球心到球面的距离,使距离尽量保持相等。

另一种力是地球表面所具有的“抵抗”变形的应力。

小贴士

重力势能是指物体由于位置高而具有的能量,重力势能的大小与物体的质量和离地面的高度有关。当物体质量相同时,离地面越高,重力势能越大;当高度相同时,质量越大,重力势能越大。日常生活中重力势能的例子比比皆是。例如,用打桩机把重锤举到高处时,重锤就具有了重力势能,利用重力势能把桩子打入地下。还有,水滴从高空落下时具有了重力势能,锲而不舍,终可“穿石”,这也就是我们常说的“水滴石穿”。

刚刚形成的“胚胎地球”质量还很小,由此产生的引力还不够强大,无法“战胜”地球表面岩石碎块的应力,所以,地球的外形是“歪七扭八”的。

当地球半径达到约500千米时,它的质量已经足够大了。这时,引力开始改变它的外形--将高的地方收缩、坍塌,将低洼的地方补齐、填平。地球从不规则形状慢慢地变成了近似球体的形状。

随着地球不断“长大”,质量和引力也随之增大。这时,岩块具有的应力已经无法抵抗地球引力了,原来坚固的岩石和碎石均匀地向地心方向坍缩,地球最后慢慢地就成长为一颗“圆球”,而它本身的高速自转又让其表面物质分布得更加均匀。

所以,变成“圆球”是地球演化的必然结果。

当然,地球也并不是一个完美无缺的“圆球”,而是一个两极稍扁、赤道略鼓的椭圆形球体,这是因为地球在自转过程中,南北半球的高纬度地区到赤道,会产生由小到大不同的惯性离心力,高纬度的物质会被拽向赤道,最后形成如今的“体型”。不过,与地球6371千米的半径相比,这点差距微乎其微。所以,从太空中远眺,地球仍然像是一个“圆球”。

知识小卡片

应力 任何物体都拥有一种能抵抗外界让它变形的力,物理学上将这种力叫作应力。物体应力的大小是固定不变的,与质量和重量无关,只与物体的性质和密度有关。例如,当你用手捏一块石头时,石头完好无损,但你会感到手痛,这是因为你的手给石头施加的力不够大,远远小于石头的应力。而当你用铁锤砸石头时,石头就会破碎或变形,因为铁锤施加给石头的作用力,大大超过了石头的应力。地球最终能不能变成圆球,取决于引力和应力“较量”的结果。

事实上,不光是地球,太空中的所有天体都趋向于把自己变成能量最低、结构最稳定的圆球,但最后能否“如愿以偿”,主要取决于它们的体积、质量、密度及自转速度。一般来说,直径超过1000千米,质量和体积较大,密度较高的天体,基本上都是圆球形,而且体积越大,密度越高,天体就越圆润,表面就越光滑。相反,如果达不到这些条件,就不会变成圆球形的。所以,宇宙中像恒星、行星等天体都是圆球形,稍微小一点、轻一点的天体,如一些矮行星和卫星的形状则是比较圆的球形,而像陨石、小行星、彗星等特别小和特别轻的天体,都是不规则形状的。