地球公转角动量守恒运动规律

地球绕太阳公转,在整个过程中角动量是否守恒？？急急~

不考虑特殊因素，单单考虑地球公转过程，是角动量守恒的。
虽然公转工程中距离太阳有远有近，但是根据开普勒第二定律——在相等时间内，太阳和运动中的行星的连线（向量半径）所扫过的面积都是相等的——可知，距离近时，速度快（面积才可能会相等嘛）。
而角动量 = rvm，质量 m 不变。决定地日连线所扫过面积的就只有 r 和 v 了，既然相同时间内面积固定，那么 r 与 v 的乘积也必然恒定。
所以 rvm 不变，即角动量守恒。

地球这个大家伙已经在太阳系中运动了至少46亿年，它每天会以非常高的速度自转一圈，每年会绕着太阳公转一圈，不出意外的话它能转到太阳死亡，这个时间估计是70亿年以后。
太阳死亡以后会变为一颗和地球体积大小的白矮星，但是它的密度非常高，如果地球这时还存在的话，它会继续绕着这颗恒星的残骸继续运转。


除了地球以外，在太阳系，甚至银河系，乃至整个宇宙这种这种旋转运动十分普遍，因为宇宙的大型物质结构就是这样形成的。
这就产生了一个问题，貌似很矛盾。
13世纪的时候，人类就梦想在地球上建造一个可以永动的机器。


它不需要外力的作用，也就是不需要能量的输入，仅仅依靠自身，不管是扭矩的变化、还是一些花里胡哨的操作， 就能自己永远转动、或者运动的机器。
但是无数次的尝试都失败了，这其中包括15世纪达芬奇这个制作机械的大师、还有17世纪英国的波义耳都动手做了很多类型的永动机，但最后都证明永动机在地球上无法实现。


为什么呢？其实最直接的原因是因为你在地球上不管是制作啥机器，不管是你的结构再怎么精妙，也不管你的设计多么合理，都无法避免一个问题；
就是机械运转所带来的摩擦力，以及空气，还有地球引力的作用。
这些我们可以统称为阻力，它会不断地使机械转动最初的动量消耗殆尽，直到停止运转。


为了对抗这些阻力，你必须给这个转动系统提供一个和所有阻力相同大小的力，才能保证其在惯性下一直运转。
如果你还想要让这个系统给外界做功，那么这个力就必须大于整个系统的阻力。
所以就出现了个各种奇形怪状的机器。依靠自身的转动来自己给自己提供对抗阻力的力。这就好比你左脚踩右脚、自己拉自己的头发想上天一样。
根本原因就违反了能量守恒定律。


也就是说孤立系统的能量是守恒的，需要外部的输入才能增加，你不能在一个孤立的系统中自己选创造出能量。
说到这里，貌似在地球上不能造出永动机的原因是因为阻力的存在。那么我们把一个轮子或者脱落拿到深邃的宇宙空间呢？周围没有其他引力源的干扰会怎么样？
牛顿给出了答案，任何物体在没有外力的作用下，它都会保持最初的运动状态。它要么静止要么匀速直线运动，正所谓静者恒静、动者恒动。
运动是事物的本质，随意只要你给这个轮子提供一个初始的旋转动量，只要没有外力干扰它会转下去，直到天荒地老。


而地球就是这样，在46亿年前形成太阳系的一团椭球形气体云开始在引力的作用下坍缩，首先会形成一个原行星盘。
由于这个椭球状的气体云内的气体分子、原子自身会进行这大量的不规则运动，导致整团巨大的气体云会拥有一个极其缓慢的旋转动量。
例如你在水槽里放一池子水，等待水面稳定以后，打开下水孔，不一会儿比就会看到整个水面会形成漩涡往下流，且漩涡的速度会越来越快。


这就是整池子水内部微小旋转动量随着体积变小，被放大的效果，以前有人说水槽的漩涡是地转偏向力引起的，其实并不准确。
运动河流中的漩涡可以用地转偏向力来解释，但是我们家里小小的水槽中的漩涡并不是地球自转引起的。
如果真是这样，那我们人也应该能感受到北半球和南半球不同的地转偏向力，那不岂是走路一不小心方向就会发生偏移？


现在我们回到太阳系的形成！当气体云塌缩以后，根据角动量守恒定律，质量分布的更加紧密那么气体云旋转的速度就会加快，（类似于滑冰运动员）这就为整片原行星盘带来了可观的旋转速度。
有了初始的旋转动量，那么地球、各大行星，包括太阳在内基本上都在逆时针自转，而且所有的行星都在逆时针公转。
接下来的问题是，地球的自转和公转是否违背了能量守恒定律？是否和我们口中所说的“永动机”相违背？


其实地球的运动可以说它就是一个“永动机”，但不完全是，毕竟总有一天它会因为太阳、月球的潮汐引力不停的消耗掉自转动量，而停止自转；每过100年每天就会增加约0.002秒。
但这个时间尺度非常长，估计等到太阳系毁灭，地球被太阳吞噬都不会发生这样的事。
地球的公转也一样，也无法永动下去，在宇宙空间中，两个质量物体相互旋转，就会造成类似于电荷在电场中旋转一样，电荷会释放出电磁辐射，而质量物体会释放出引力辐射，并且带走轨道能量。


因此地球的公转轨道一直在衰减，总有一天它会螺旋坠入太阳。所以说在宇宙中旋转的天体还真的没有严格意义上的永动。
不过就算它们永动，也符合科学理论啊，并不违反能量守恒，而且正是能量守恒和牛顿惯性定律的真实实例。
如果把地球从太阳系中拿出来，单独放在深邃的宇宙空间中，它就会因为角动量守恒一直自转下去，因为它没有对外做功，也没有受到阻力的影响，因此不要外力和能量的维持，可以在惯性作用下一直自转。


公转轨道也一样，地球本身在垂直于太阳引力方向上做匀速直线运动，但是却受到指向太阳中心的引力加速度，因此改变了运动速度（速度是矢量），所以造成它一直在绕太阳运行。
引力正是这个公转系统中的外力，因此地球的公转也没有违背能量守恒定律。也没有跟我们所说的永动机相违背。

地球公转角动量守恒运动规律分析属于质点对点的角动量分析。

根据质点运动的动量定理可知:

地球磁场起源理论

即

地球磁场起源理论

式中:r为转动半径;p为动量;L为角动量;M为力矩;m为质点质量;v为质点运动速度。

地球公转运动是合外力矩M恒为常数的运动，即角动量守恒运动，也是一种r往复改变、角加速度往复改变的运动。

当地球由近日点(冬至日)向远日点(夏至日)运行时(图4－16)，转动r变大，公转惯量I随之增大，而角加速度β变小;当地球由远日点向近日点运行时，r变小，公转惯量I逐渐减小，而β变大。

图4－16 地球公转轨迹示意

地球绕太阳运行一周要经历r变大与变小的过程。为了使自身运行平稳，地球的公转惯量(I)势必趋于某一定值，设此时r=1。当r不等于1时，地球球面物质作调整质心的运移，以降低公转惯量的增量。用下式表示:

地球磁场起源理论

式中:I为公转惯量;m为地球质量;r为地球到太阳的距离，轨道半径;x为质心调整偏移量;y为地球平稳运行的公转半径。

r、x、y三者之间的关系如图4－17所示，图中虚线表示转动惯量守恒线，实线表示地球实际运动线。

图4－17 质心调整偏移量与地球公转半径的关系示意

令地球公转轨道春分点与秋分点的r=1。那么，地球从春分点开始经夏至点向秋分点的运动，为r＞1的运动(简称A过程)。为调整因公转半径变大而引起的地球公转惯量的变大，地球质心要作向靠近太阳的迁移，即y=r－x;而地球从秋分点开始经冬至点向春分点的运动，为r＜1的运动(简称B过程)。为调整因轨道半径变小而引起的地球转动惯量的减小，地球质心要作远离太阳的迁移，即y=r+x。

地球质心的移动，通过地球内部物质的移动来进行。

赤道面与黄道面交角23.43°。如果以地球在二分点时的球心作为原质心所在点，则球面物质移动导致质心位置相对改变的两种情况分别是:质心靠近太阳的运动在A过程，此间，地球球面物质要发生由西向东的迁移;质心远离太阳的运动在B过程，地球球面物质仍然发生由西向东的迁移。

所以，根据角动量守恒定律，地球的公转运动，是导致地球球面物质发生由西向东的迁移的运动。地球不断地发生由西向东的旋转，是角动量守恒定律的体现。

表4－2计算了地球绕太阳运行一周的不同极角时极径变化的速度(b)、加速度(a)的变化幅度值。可以看出:随着极角从0°～180°变化，地球从近日点开始，绕太阳运动到远日点，极径增加，加速度减小。在此过程中，极径变化的加速度由正值最大“1.016”逐渐减小到“0”再到负值最大“－1.034”，而极径变化的速度则由“0”不断增加，在加速度等于“0”时达到最大后转变成不断减小再回到“0”。极角从180°～360°的过程，为前述过程的逆过程。在地球绕太阳运行一周的过程中，地球运动状态改变的对称点不是一般情况下的90°、270°，而是91.92°和268.08°。

表4－2 不同极角条件下极径变化的速度、加速度改变幅度值

地球磁场起源理论

(据刘全稳，2006)

在A过程中，公转半径的增量x所遵循的函数关系式及其增量的最大值可求:

由椭圆极坐标公式

地球磁场起源理论

得春分与秋分时的公转半径(r_分点)为

地球磁场起源理论

则A过程中增量x=r－r_分点，即

地球磁场起源理论

A过程的最大增量在夏至日，大小等于x_1max

地球磁场起源理论

B过程中增量y=r_分点－r，即

地球磁场起源理论

B过程的最大增量在冬至日，大小等于x_2max

地球磁场起源理论

将地球轨道参数代入式(4－20)至式(4－24)，即可化简各式，得到最大增量值:

x_1max=1692627km

x_2max=2544815km

固体地球的赤道半径约6378km，极半径约6357km，平均半径约6371km。可见，在地球公转的A过程中，公转半径的最大增量可达133个固体地球直径之巨，而B过程的最大增量更大，约为200个固体地球直径。A过程与B过程公转半径增量不同，前者为转动半径增加，后者为转动半径减少。

图4－18 地球公转加速度分析

在质量不变的条件下，随着r的增加，地球将作加速度减小的运动。由表4－2可绘出点对点运动体系中径向加速度的变化曲线，如图4－18所示，所揭示的信息是:地球离开近日点向夏至点运行的过程是公转半径(r)增加的过程，也是加速度减小的过程，半径在夏至点增至最大，加速度却变成负值最小;地球从夏至点经秋分到冬至的过程与前述过程恰巧相反。这是理论决定的，并且完全符合角动量守恒定律。

地球执行角动量守恒定律的运动不仅体现在参数“加速度”的调整上，也体现在地球物质自身运动的调整以尽量减小公转半径的增量变化上。

图4－19为图4－17的局部放大，可见，无论是A过程还是B过程，地球为了达到角动量守恒，就要促使物质产生由西到东的运动，以阻止或延缓公转半径的增加或减少。地球的由西向东自转本身体现了对公转角动量守恒运动规律的遵从。如果说地球自转方向改变为由东向西的话，只有一种条件下可以实现，那就是地球的公转运动方向与现在相反。否则，这是一个不可能命题。

图4－19 地球在二至点时物质守恒运动的方向(据刘全稳，2006)

表4－3为地球各层物质的部分参数。大气质量仅占全球质量的0.00009%，因此，调整质心的任务主要落在地幔与地外核上。

地球的公转运动不间断地进行，角动量守恒运动也就不间断地作用，地幔与地球外核物质就不间断地作由西向东的运动，再加上地球的自转不间断地进行，所以，地核与地幔物质总是无休止地进行着由西向东的运动。

表4－3 地球有关参数

(摘自《中国大百科全书》)

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宾川县17186319776： 地球绕太阳公转,在整个过程中角动量是否守恒??急急 - ？
艾昨磺胺： 不考虑特殊因素,单单考虑地球公转过程,是角动量守恒的.虽然公转工程中距离太阳有远有近,但是根据开普勒第二定律——在相等时间内,太阳和运动中的行星的连线(向量半径)所扫过的面积都是相等的——可知,距离近时,速度快(面积才可能会相等嘛).而角动量 = rvm,质量 m 不变.决定地日连线所扫过面积的就只有 r 和 v 了,既然相同时间内面积固定,那么 r 与 v 的乘积也必然恒定.所以 rvm 不变,即角动量守恒.

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