物理转动趣谈，地球上距离地心最远点不在珠穆朗玛峰

　　在物理学中，很多复杂的运动都可以分解为这平动和转动的组合。相对来说，平动比较容易理解，我们今天就利用生活中常见的转动现象，给大家介绍一下转动中的物理规律。不用担心看不懂，接下来没有任何公式。
　　说到转动，大家都能张口就来，比如滚筒洗衣机、旋转的链球、陀螺、行星的自转和公转。旋转不仅仅有趣，而且非常有用。不要小看一杯旋转的茶水，人类利用茶水旋转的原理可以做很多事情。小到洗衣机脱水、大到火箭发射、地球的四季更迭、未来甚至有可能帮助我们解决能源问题。
　　一、茶杯中的漩涡
　　如果您跟我一样喜欢用玻璃杯喝茶，一定会注意到，满杯的时候，还可以再添加一点，杯口的茶汤会在表面张力的作用下，形成一个向下弯曲的表面，高出杯口。如果不是满杯，除了边缘处，整个茶汤的表面就是一个光滑的平面。
　　但凡事都有例外，如果我们用一个勺子，沿着顺时针或者是逆时针搅动茶汤，茶汤就会在茶杯中旋转，并形成一个向下凹进去的液面。液面的最高点是茶水与杯壁的交界处。
　　这是因为，用勺子搅动的过程是在将茶水向外推挤，由于茶水距离杯壁很近，被束缚在一个小空间里，所以它只能向上爬。在宽阔水中形成的漩涡周围，就不会出现水面升高现象。如果没有杯壁的束缚，茶水就会沿着勺子推动的方向直线前进。
　　二、倾斜的弯道与高速通过的车辆
　　让一个小球在光滑水平面上旋转应该是最简单的物理实验了，大致有四种方法来实现：1、在水平面上设置一个圆周轨道；2、用一根细绳拉住小球；3、将小球用细绳悬挂起来；4、用一个圆形的凹面的内表面。
　　上面四种实验方法都在提醒着我们一个事实，做圆周运动的物体需要一个指向圆心的力来迫使它不断改变方向，如果失去了这个力，物体就停止旋转，变成直线运动。因此想让物体旋转，就必须要提供这样一个力。物体的运动速度越快，需要的力就越大。
　　这个现象在生活中有很多的应用，比如在公路、铁路的弯道都会设置一定的倾斜角度。当车辆高速驶入弯道时，与茶杯中的茶水一样，它要保持着直线运动，而路面是弯曲的，弯曲的路面为车辆提供了垂直于弯道的支持力。
　　这个力与重力所形成的合力指向弯道的圆心，使得车辆即使是高速通过弯道，也可以不完全依赖轮胎与地面的摩擦力，从而增加了弯道通过的安全性。
　　如果允许车辆以更高的速度通过弯道，那么弯道设计的倾斜角度就要更大，速度越快，需要的向心力就越大。倾斜角度越大，能提供的向心力也就越大，所以不用担心会被平坦的路面给甩出去。甚至如果你的速度足够块，你能把车开到几乎与地面垂直的墙上去。飞车杂技就是利用这个原理。
　　三、印度抛饼与地球自转
　　印度抛饼是非常常见的一种食品，制作这种面食甚至是需要很高的技艺，将面和好，做成小面皮，然后用类似东北二人转的手法旋转着向上抛，当面皮出手之后，如果忽略空气阻力，那么就只剩下地球的引力作用了。
　　高速旋转的面皮内部成分之间存在着相互拉扯的力量。由于面皮内部的拉力不能满足旋转索需要的向心力，面皮会因为旋转被向外拉扯，这跟茶杯里旋转的水的情况是一样的，由于没有杯壁的限制，即面团内部的拉扯力量不足以抗衡面团向外运动的惯性力，所以面皮会随着旋转被拉大。
　　所有旋转的物体，其内部都会产生这样的拉扯的力量。记得有一年春晚，黄宏有一句台词＂小锤40，大锤80＂，如果我们同样抡动锤子，就会感受到这种拉扯的力量，相同的转速的情况下，抓紧大锤要更吃力。而且这种力量，还会随着锤柄的长度增加而增加。
　　由于固体不会发生形变，所以我们看不到这种力的作用，但是柔软的面团内部的拉扯力量不足以抗衡旋转产生的惯性力，于是我们看到面团被旋转力拉扯成了薄面饼。地球自转与旋转的面饼一样，内部同样存在着这种拉扯的力量。
　　地球自转与抛饼不同的是，地球的质量很大，它的引力还算强大，所以，它没有像面团一样变得扁平，还保持着接近球形。但也正是因为旋转，地球也会被这个力拉扯得发生一点点的形变，这导致了地球的赤道部位要略微隆起一些，两极略短。
　　如果你站在赤道上，那么你距离地心的距离要比北极距离地心的距离远21公里。正是由于地球自转造成了如今地球的形状，也导致了尽管海拔8848米的珠穆朗玛峰是地球上的第一高峰，但它的峰顶并不是地球表面上距离地心最远的地方。
　　事实上，距离地心最远的那个点位于赤道上——海拔只有6268米的钦博拉索山的山巅。如果你站在那里，那么你距离地心的距离要比珠穆朗玛峰的峰顶与地心的距离多出2公里。
　　四、没羽箭和人造卫星
　　少时读《水浒》，好奇过其中的十八般兵器，对没羽箭张清尤感兴趣，飞石击人，百发百中。后来收藏民国＂烟盒画片＂一百单八将，张清这一枚画的是他骑在马上，一手提枪，一手掌握＂没羽箭＂欲待发射，正点出人物精神。那美其名曰＂没羽箭＂的石头果真厉害！
　　没羽箭是一种用绳索或者是皮带把石球束起来制成的复合武器，一些原始部落已经会制造这样的狩猎工具。它的使用原理是这样的：起初，你通过绳索赋予石头一个向心力，让石头转动起来；然后突然释放，向心力消失，石头无法继续旋转，所以它会沿着直线向外飞出。
　　就在此刻，我和你都在跟着地球一起自转，每隔24小时，我们会绕地球的自转轴转一圈，由于地球实在是太大了，所以我们对这种旋转运动没有任何感觉。
　　在赤道上，地球自转的横向速度（线速度）大约是1670公里每小时。我的位置在辽宁鞍山，横向速度大约是1200公里每小时。但我们为什么没有被甩出去？这是因为地球的吸引力足够强大。
　　事实上，非但在地面上你不会被甩出去，即使是在地球卫星轨道上，地球的引力也不会让你甩出去。而火箭在发射时，还可以借助地球自转获得更高的速度。
　　我国文昌卫星发射中心位于海南省海南文昌市龙楼镇星光村的一片西瓜地，纬度约为19°30＂，毗邻大海，在这里建设发射场，可利用距离地球自转轴远优势，获得更高的初始速度，提高地球同步轨道卫星运载能力，延长卫星使用寿命，效费比高。
　　而早期，我国内陆的发射场地，与文昌发射中心相比，距离地球自转轴更近，即使用相同推力的火箭，运载能力也要更低。
　　如果你以为，利用地球自转在低纬度建立发射场是利用旋转来提高火箭的发射能力的唯一办法，那么你就真的太out了。现在科学家们正在研究如何用＂没羽箭＂的原理来发射火箭，并且已经通过了测试。
　　2018年，美国初创航天发射企业旋转发射公司（Spinlaunch）公布了利用旋转加速技术进行航天发射的方案。整个方案不采用火箭，而是将发射载体（小型火箭上面级）装在一个真空管中，核心动力是一个大型离心机（发射装置），如图下所示。
　　管子高速旋转后将发射载体抛出，发射速度达到3倍音速。利用惯性达到60千米的高度，然后发动机点火工作，将载荷送入轨道。这个系统的近地轨道运载能力约为100kg，每天能够进行5次发射，能够实现低成本快速响应进入空间。
　　这个看上去很科幻的系统，其实跟＂没羽箭＂张清利用皮绳抛石头的原理是一样的。只不过＂绳子＂更长，转速更快，抛射得更远。
　　五、地球的转动为什么不会停止——角动量守恒定律。
　　行星的公转是一种惯性运动，地球自然也不例外。地球之所以没有落入太阳，是因为太阳也在弯曲，虽然地球在一段时间内，向太阳下落了一段距离，但是地球在轨道上也移动了一段距离。这段距离正好契合太阳表面的弧度。
　　因此，我们可以说，地球实际上是一直在落向太阳，而太阳也一直在弯曲，二者最终达到轨道飞行的美妙平衡。是一定的轨道速度把地球留在了太阳表面的天空中，由于地球在自己的轨道上，没有任何阻力，所以地球完全可以永不停歇地围绕着太阳转圈，不断下落，但永不坠落。
　　同样的道理可以解释为什么地球自转永不停歇。这也是因为地球在自转的时候，地球上的任何一点所需要的向心力都由地球自身的引力提供，同时组成地球的物质提供的支撑力阻止了地球表面物质向地心塌陷。
　　这个规律在物理学上叫做角动量守恒定律，是物理学的普遍定律之一。例如一个在有心力场中运动的质点，始终受到一个通过力心的有心力作用，因有心力对力心的力矩为零，所以根据角动量定理，该质点对力心的角动量守恒。因此，质点轨迹是平面曲线，且质点对力心的矢径在相等的时间内扫过相等的面积。如果把太阳看成力心，行星看成质点，则上述结论就是开普勒行星运动第二定律。
　　六、利用转动为未来能源问题提供解决方案
　　飞轮储能技术作为未来大规模储能的应用方式之一进入国人的视野还是最近两年的事。目前，我国的飞轮储能技术还停留在实验室研究阶段，与国外技术水平差距在10年以上。＂
　　所谓飞轮储能，是利用高速旋转的飞轮或者是滚筒将能量以转动动能的形式储存起来。需要能量时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。我们小时候玩过的回力玩具汽车就是飞轮储能的简单应用。
　　不过，现在对飞轮储能的要求是将其应用于更大规模的储能。飞轮储能的技术优势是技术成熟度高、高功率密度、长寿命、环境特性友好。目前，国外产品经过不断地更新和提高性能，寿命已经达到15年、10万次以上。而化学电池一般只有几千次充放电的寿命，往往几年就需要更换。
　　飞轮储能的原理与地球公转和自转的原理一样，都遵循角动量守恒定律。旋转的茶水、抛石器、倾斜弯道上的汽车、卫星运行都遵循同样的物理定律，不过，现代的科技最终将会将简单的原理转化为实用的解决方案，在未来，我们将会看到飞轮储能技术日渐普及。
　　结束语
　　通过前面的例子，我希望大家对于转动的物理规律能够有一定的了解。之所以说物体发生了转动，是因为我们看到物体走过的轨迹是圆周或者是一段圆弧；由于我们看不到力的作用，但是通过实验和观察可以总结出，物体能够做旋转运动，是因为有一个指向圆心的力使得物体的运动方向发生了改变。
　　而对于旋转的应用来说，我们其实是在利用旋转中物体的向心力和惯性力的合力变化，来实现我们要完成的任务。
　　我之所以近期在写这些没有公式的科普文章，是希望小伙伴们能够把书本上学到的考试技能，变成解决实际问题的本事。如果您已经是一位高手，希望您能加入到科普的行列中来，如果您不愿意给杂志投稿，可以跟我联系，联合发表。
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