題:
我們為什麼不感覺到地球橢圓軌道的微妙變化?
BoddTaxter
2016-07-14 21:35:38 UTC
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地球的軌道是一個橢圓形,因此為了保持動量,當其最接近太陽時其速度會增加。如果速度改變,則有加速度。如果有加速度,則有力。即使變化很小且是漸進的,我們是否也不會因為地球如此巨大而承受力量?

地球以19英里/秒的粗略速度移動,距太陽約93 000 000英里,這使向心加速度$ v ^ 2 / R \約4 \乘以10 ^ {-6} $英里/ s ^ 2或約$ 0.02 $ ft / s ^ 2。將此與$ g \ approx 32 $ ft / s ^ 2進行對比。
@jim -比那小得多。我們能感覺到的是潮汐加速度,即我們朝向太陽的加速度與整個地球向太陽的加速度之差。這非常非常小。
-1
我們也不是直接感受到潮流...
七 答案:
John Rennie
2016-07-14 22:05:33 UTC
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我們沒有感覺到任何加速,因為地球和我們所有人在太陽周圍自由下落。我們所感覺到的向心加速度就比國際空間站上的宇航員所感覺到的國際空間站向地球的加速度大。

之所以發生這種情況,是因為廣義相對論描述了重力場中的運動。自由落體的運動沿一條稱為測地線的線,該線基本上等效於彎曲時空中的直線。而且,由於自由下落的物體沿直線移動,因此沒有力。

為了更精確一點,大地方程給出了跟隨自由落體運動的軌跡:

$$ \ frac {\ mathrm d ^ 2x ^ \ alpha} {\ mathrm d \ tau ^ 2} =-\ Gamma ^ \ alpha _ {\,\,\ mu \ nu} U ^ \ mu U ^ \ nu \ tag {1} $$

需要一些解釋,但是實際上我們不需要細節。我們需要知道的是,物體的四加速度 $ \ mathbf A $由另一個等式給出:

$$ A ^ \ alpha = \ frac {\ mathrm d ^ 2x ^ \ alpha} {\ mathrm d \ tau ^ 2} + \ Gamma ^ \ alpha _ {\,\,\ mu \ nu} U ^ \ mu U ^ \ nu \ tag {2} $$

但是如果使用等式(1)代替等式(2)中的$ d ^ 2x ^ \ alpha / d \ tau ^ 2 $,我們得到:

$$ A ^ \ alpha =-\ Gamma ^ \ alpha _ {\,\,\ mu \ nu} U ^ \ mu U ^ \ nu + \ Gamma ^ \ alpha _ {\,\,\ mu \ nu} U ^ \ mu U ^ \ nu = 0 $$

因此,對於任何自由下落的物體,四個加速度自動為零。您感覺到的加速度(“ g力”)是四加速度的大小-從技術上講是四加速度的範數或適當的加速度

此參數中沒有任何內容涉及軌道的形狀。無論軌道是雙曲線,拋物線,橢圓還是圓形,都適用相同的結論。軌道上的觀察者沒有加速度。

您可能有興趣閱讀我對如何不動而加速?的回答,我將在此進行更詳細的討論。有關更多技術方法,請參見“彎曲空間”如何解釋引力?

既然您在這裡,請包括有限大小的剛體的GR運動方程式和潮汐力的表達式,請:)。
我不確定這個答案。當量原理說,沒有本地實驗能夠將均勻重力場與加速框架區分開。但是地球繞太陽旋轉絕對不是地方實驗。絕對可以檢測到重力場。潮汐能做到這一點。
這是一個很好的觀點,並且在日光照射時潮汐對磷的影響要小於近日點。如果您可以測量這種變化的速率,那麼我想您應該在測量到太陽的距離變化的影響。但是我不認為這是問題所在。
我認為值得指出的是,與地球橫截面的大地測線的發散/會聚相比,如果地球很大,則潮汐力會加速。我認為這種效果就是OP所要問的。在這種情況下的答案是,儘管地球的尺寸很大,但即使在地球軌道的最極端部分,與太陽重力勢在整個地球體積上的梯度相比,地球還是很小。
...這個問題真的需要GR回答嗎?
@BlueRaja-DannyPflughoeft是的。我認為是的。因為在牛頓中,自由落體架是一個循環定義。
牛頓重力服從等效原理。在如此大的質量,加速度和潮汐作用下,它們給出的結果相同(目前為止),這是任何人都可以測量的程度。不需要GR
它不需要*,但是GR與問題中的錯誤最直接的對立是:“在加速的地方有力量...我們不會經歷力量”。不,因為GR說您沒有“體驗”使您追隨測地線的虛擬力量。除此之外,我懷疑約翰不願意因為沒有使用最佳可行的理論來僅僅給出大致正確的解釋而感到內; ;-)但是正如亨寧指出的那樣,發問者的標籤表明他們正在尋找那個牛頓的解釋,而不是最新的技術。
hmakholm left over Monica
2016-07-14 23:57:30 UTC
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從廣義相對論的角度來看,約翰·雷尼(John Rennie)的答案是正確的-但由於該問題是用牛頓力學來標記的,因此它也值得牛頓主義的答案。

在牛頓框架中,我認為“為什麼我們不體驗這種力量”的最佳答案是we不會在所有上感覺到它們會施加到我們的身體上。我們實際用感官體驗的只是我們身體不同部位之間的力

當您站在地球表面時,您既不會感覺到太陽的引力,也不會感覺到地球的引力。嚴格來說,您甚至沒有感覺到腳底與地面之間的接觸力-但您do會感覺到腳的皮膚與腳內部的骨頭之間的壓縮力。在較小程度上,您會感覺到骨頭被壓縮了,而肉體則懸掛在骨骼上而被拉伸了。所有這些內力平衡引力對您的身體的影響,使身體各部位的淨力為零(忽略了來自太陽和月亮的拉力),與地球。

這就是被拉向大地的感覺:抵抗這種拉動的體內力量。

但是,對於來自太陽的吸引力,沒有什麼可以平衡它。人體中的每個粒子都只是朝著太陽落下,而加速度是由太陽引力場的強度提供的,而地球和周圍空氣中的每個粒子都在做同樣的事情,因此沒有內力在任何地方都需要,以使身體的各個部位保持在相同的相對位置。因此,沒有任何感覺。

問題在於,當地球繞其橢圓軌道的一端之一繞行時,會感覺到速度的差異,而不會感覺到來自地球和拉向我們的太陽的引力。也許我沒有把它放在一起,但是我不知道你的答案是怎麼解決的?
@Zack:地球在其軌道上不同點的速度差異是由太陽的拉力引起的。由於軌道與太陽方向不完全成直角,因此在軌道上的各個點,來自太陽的引力會在行進方向或逆行方向產生分量。答案是,您不會感覺到太陽的拉力沒有一部分,特別是它在地球瞬時速度方向上的分量不是。
我可以建立一個可以檢測加速度的密封盒,對嗎?為什麼我們的身體不是這樣的盒子?
@DavidSchwartz:不,您不能。您的盒子只能檢測到它的加速度與重力所施加的加速度有何不同(以及任何其他力都直接按重量與盒子的質量成比例地作用於盒子中的所有物體)。如果您可以完全密封盒子以防止引力進入,那麼您可能會遇到一些麻煩,但是沒有辦法做到。
@HenningMakholm對。引力很重要是很重要的事實。相反,如果盒子受到來自火箭的恆定1G加速度,它將可以檢測到它。但是,這個答案並不能解釋為什麼引力如此特殊,而且我認為從牛頓的角度來看,您不能這樣做。
@DavidSchwartz:是的,因為需要通過盒子壁上的材料傳遞的力來對盒子的內容物施加來自火箭的加速度,而這些力最終是加速度計所檢測到的。現在,從地面推動盒子下面的盒子,坐在地球表面的盒子將檢測到相同的1G加速度。在這兩種情況下,盒子的實際運動與如果重力是唯一施加到盒子的力如何運動之間的差異為1G,因此讀數將相同。
@DavidSchwartz:引力是特殊的,因為它直接且均勻地作用於它所施加的體內的每個粒子,而不會由於來自施加整個力的點(或部位)的機械應力而分佈。
我只是重新閱讀了一下,您的解釋真的很有趣,謝謝。
Diracology
2016-07-14 22:14:54 UTC
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根據等效原理,自由落體系統無法局部檢測重力場。但是,地球是一個足夠大的系統,因此非局部效應變得可觀。太陽潮雖然很小,卻可以被發現。因此,原則上即使我們處於自由落體狀態,也可以體驗太陽的引力場。我聲稱是通過橢圓軌道的加速度變化太小。

相對於橢圓的焦點,地球的角動量為$ L = mr ^ 2 \ dot \ phi $,其中$ m $,$ r $和$ \ dot \ phi $為質量,到太陽中心的距離和角速度。因此 $$ mr_p ^ 2 \ dot \ phi_p = mr_a ^ 2 \ dot \ phi_a,$$ 其中索引$ p $和$ a $表示“近日點”和“ aphelion”。對於橢圓, $$ r_p = \ frac {r_0} {1+ \ epsilon},\ quad r_a = \ frac {r_0} {1- \ epsilon}。$$ 因此 $$ \ frac {\ dot \ phi_p} {\ dot \ phi_a} = \ left(\ frac {1+ \ epsilon} {1- \ epsilon} \ right)\約1,0340,$$ 因為地球的軌道偏心率是\\ε\大約0,0167 $。六個月內,我們的變化大約為百分之三。平均角加速度為 $$ \ bar \ alpha = \ frac {0.0340 \ cdot \ phi_a} {180 \ cdot 24 \ cdot 60 \ cdot 60} \ sim 10 ^ {-9} \ phi_a \,\ mathrm {rad / s ^ 2}。 $$ 請注意,$ \ phi_a $是有序的 $$ \ frac {2 \ pi} {365 \ cdot 24 \ cdot 60 \ cdot 60} \ sim 10 ^ {-7} \,\ mathrm {rad / s}。$$ 因此角加速度約為$ 10 ^ {-16} \ mathrm {rad / s ^ 2} $。如果將此值乘以到太陽的平均距離$ r \ sim 10 ^ {11} \,\ mathrm {m} $,我們得到的加速度為$ 10 ^ {-6} \,\ mathrm {m / s ^ 2} $。與地球引力引起的加速度$ 9.8 \,\ mathrm {m / s ^ 2} $相比,可以忽略不計。

是的,但是即使加速度變化很大,但由於約翰·雷尼(John Rennie)在第一句話中所說的,我們仍然不會感覺到它。圍繞太陽的地球軌道(就像任何其他物體周圍的任何物體的軌道一樣)是“自由下落”的軌跡。
@jameslarge Earth是一個足夠大的系統,因此非局部效果非常明顯。太陽潮-很小-可探測到。如果等價原理在這裡有效,我們將無法感覺到太陽的引力場。我們做。
@Diracology好,等效原理在這裡有效。只是它適用於點粒子,而不是行星。當您將行星分解成碎片時,您會發現,雖然質心在測地線上,但各個部分卻不在(或至少它們不在“相同” *測地線上)。由於重力和電磁都阻止行星破裂,因此會導致潮汐加速。如果您將整個系統完全保持本地化(並且我們沒有理由認為它不是本地化的,那是GR的核心),那麼您仍然會有強大的力量。
@Luaan確實如此,這就是我的意思。
Pulsar
2016-07-14 23:50:42 UTC
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約翰·雷尼(John Rennie)用廣義相對論回答了這個問題,但是牛頓物理學也可以回答這個問題。您的問題與此非常相似:

為什麼月亮與地球在一起?

,我可以請您參考我在那的答案。簡而言之,太陽不僅以自身引力拉動地球,還以同樣的引力力拉動包括我們在內的一切事物。因此,由於地球,我們受到與太陽相同的重力加速度。根據伽利略和牛頓的運動定律,可以得出結論,我們沿著與地球圍繞太陽的自由下落路徑運動,因此我們相對於地球保持靜止。

ChrisW
2016-07-17 04:25:01 UTC
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即使軌道是一個完美的圓,朝太陽的方向也有一定的加速度。如果沒有加速度,那麼地球將以直線(而不是圓)運動;但它不是直線移動,因此有加速度。

從某種意義上說,地球不會感覺到加速度,因為它不會試圖抵抗加速度:如果您站在某物上,那麼您會抵抗重力(抵抗跌落)並在腳上受力;如果您不站下來摔倒(忽略空氣阻力),那麼您什麼都不會感到(除了噁心,因為您習慣了重力)。

一個軌道可以描述為一種情況,而不是“永久性地”落在某物周圍,而是永久地“落在”它周圍。因為您處於無限的“自由落體”中(無論是圓形還是橢圓形),您都不會感到有力-有一種力(重力),但您不會抵抗它(您不會對其施加壓力),所以您感覺不到。

Inquisitive
2016-07-21 04:16:17 UTC
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您絕對不需要使用廣義相對論來回答這個問題。

這取決於您所說的“感覺”。如果“感覺”的意思是“可以被複雜的儀器檢測到”,那麼可以,它是“感覺的”。但是您的身體並不是非常精密的檢測儀器。

根據我在其他地方閱讀的內容,當地球從距太陽的最大距離向距太陽最近的距離移動時,其速度會提高$ 1000 $ m / s $。這需要六個月,或大約15,768,000秒。使用以下等式粗略地估算出加速度:

$$ V_ {f}-V {o} = a * t $$

地球的加速度約為$ 0.0000634 $ $ m / s ^ 2 $。

整個地球及其上的所有事物都以該速度大致加速,而您的身體無法察覺到那很小的加速度。

Sensii Miller
2016-07-15 00:19:11 UTC
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我的答案是形而上學,而不是物理學。

我們之所以沒有“感覺”到加速度,是因為變化在我們身體的承受能力之內。話雖如此,我敢肯定,有些天生的人更適應這些力量。但是在大多數情況下,對於大多數用途而言,有太多的作用力作用於我們的感覺,以至於地球的加速度是我們已經學會了忽略或者根本感覺不到的。

一個例子是地震儀。一個簡單的可以用鉛筆紙和一塊柔軟的塑料製成。如果震顫較大,則可以很好地標記地震的規模。但是,塑料越堅硬,您看到的運動就越少,並且使塑料運動所需的作用力就越大。專業的地震儀由敏感得多的材料製成。

我們就像那種硬質塑料。我們感覺到了變化,但我們並沒有專心探測諸如地球加速度之類的細微變化。

這並不是說我們不能發展更適應地球速度的技能。在我的武術研究中,我看到大多數人都可以做的驚人的“超人”功績,即使只有一個人會花費必要的時間發展這種技能。

請提供建設性的意見,而不只是貶低職位。
首先沒有什麼感覺,除了潮汐強弱之類的二階效應。由於重力而產生的實際向心力使地球的路徑彎曲成軌道,從而影響地球表面以及地球本身的事物。無論靈敏度如何,都無法直接感覺到OP對話在地球速度上的“逐漸變化”。(具有足夠的靈敏度,您可以檢測到潮汐力並推斷出整體情況,但是在與地球速度變化相同的方向上沒有可檢測到的簡單力,甚至沒有被其他信號掩埋)
我不同意。僅僅因為影響是無限的,並不意味著就無法感覺到它。如果可以測量,則可以感覺到它的作用。另外,如果無法測量但可以計算,則最終可以測量。科學就是關於一旦被忽視的事物的發現。


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