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天上的星星长成一个样儿 其实是两种力“对决”的结果

www.gdzzdb.com2019-10-23
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你周围的天文学

李鉴

也许我们很多人都好奇,为什么天体大多是球形的?

这从一滴水开始。为什么水滴总是球形的?这是因为水的表面像一个紧实的弹性薄膜。如果将针平放在水上,您会看到,尽管它比水浓密得多,但不会下沉。取而代之的是,将水的表面从小凹槽中压出并漂浮在其上。水面上的这一层“薄膜”所产生的张力将钢针牢牢固定。液体的表面张力总是使水滴趋向于将其表面积(即球形)最小化。

球形对应于液滴表面的势能最小的状态,并且当势能最小时,系统是最稳定的。这被称为“最小势能原理”:对于任何系统,如果其势能没有达到“最小”,它将始终尝试更改为相对最小的势能位置。

电磁力保持固体“体”

为什么即使放在失重的环境中,岩石和铁块等固体也不会变成球形?这涉及在宏观世界中起主要作用的两个主要力:电磁力和重力。正是它们塑造了物体的形状。

在宏观尺度上,主力是电磁力。我们熟悉的摩擦力,磁铁吸引铁片的力以及支撑书本的桌子的力都是电磁力。与液体相比,固体中分子之间的距离较小,分子之间的电磁力较大(重力与斥力之间的平衡),因此固体可以保持一定的形状和一定的体积,并且不容易变形。

物体接收到的重力是来自地球的引力。在宏观和微观层面上,电磁力比重力要强得多。让我们以边长为10 cm(密度为2.5 g/cm 3,总质量为2.5 kg)的方形立方体来测量电磁力。与重力比较。

石头内部的分子通过电磁力形成化学键,从而聚集在一起形成固定的形状。同时,石头中的每个分子都会将重力吸引到其他分子上。然而,由该石头分子的聚合产生的重力小于电磁力,因此石头本身的重力不可能破坏化学键并使它显着变形或破裂。此时,电磁力对石材的形状起决定性作用。

如果石头的大小在侧面增加到10 km,则其总质量将达到1015 kg的数量级。此时,随着石头的质量增加,每个分子的平均自重势能也会增加。由于分子之间的电磁力保持不变,所以现在石头的自重势能和化学键能之间存在着差异。虽然相差很大,但仍然是7个数量级,形状仍然是立方体,没有任何影响。但是此时,石头已达到岩石的拉伸极限,很可能会被地球的重力撕裂并散成碎片,这就是为什么地球上的峰高不超过10公里的原因。

引力使大质量物体变成球形

如果您继续提高石材质量并使其成为当今的星球,会发生什么?

这时,重力与化学键的重力结果相反。重力将主导化学键的化学力。该岩石将在自身重力的影响下从内部到外部破碎,并且不可避免地会变形。那么它将变成什么形状?

根据“最小势能原理”,它将变成一个球。此时,其核心可能会由于高温和高压而被离子化和熔化(地球具有固体核心和液体外部核心),这会产生更强大的电磁力,可以与重力竞争,但不再是化学物质。键合电磁力。在这种规模下,重力的作用类似于液滴的表面张力。坚硬的岩石变得像面团一样柔软,并且在重力作用下会变成球形,其最小重力势能为33,354。

尽管诸如地球之类的行星非常靠近球体,但它们并不是完美的球。这是因为,球体的旋转产生的惯性离心力在赤道附近最大,在两个极点最小(等于零)。结果是两极比赤道平坦,星星变成了椭球。在相对快速移动的气态巨型行星木星和土星上,这是很明显的。

天文学家还提出,如果天体旋转得足够快,最终形状可能不是椭圆形,而是环形,像甜甜圈一样的形状。由于旋转速度快,因此环的能量可能低于椭圆形,因此更加稳定。但是,尚未真正观测到这样的天体,这仍然只是理论上的推测。 (作者是北京天文馆的研究员)

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