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1700948620 以大体上相同的方式,潜水艇中的方位角器件(它告诉你哪个方向是北极)隔一定时间就要按照回旋罗盘校正。回旋罗盘在长时间周期内平均,所以船的运动不会产生任何偏差。就这样,你可以用回旋罗盘校正方位角,你可以依照地球引力校正加速度计,所以误差不会一直积累下去,只有大约一个半小时的积累。
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1700948622 在鹦鹉螺号核潜艇中有3个这种类型的极其巨大的平台,每一平台各在一个巨大的球体中,并排地从领航员房间的天花板悬挂下来,各个互相完全独立,如有其中一个损坏的情况下——或者,它们互相不一致,领航员就要从三台中选出最好的两台(这肯定会使他感到相当不安!)这些平台在制造的时候都有些差异,因为你不可能做到每件事都完美无瑕。细微的不精确引起的漂移都必须对每一台仪器进行测定,这些仪器都必须校准以进行补偿。
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1700948624 在喷射推进实验室里有一个实验室,在这里测试一些新的仪器。这是一个令人感兴趣的实验室,你可以考虑一下你要怎样校对这种仪器:你用不着乘船去航行,不需要。在这个实验室里,他们利用地球自转来校对仪器!如果仪器是灵敏的,由于地球的自转它会转向,并且还要漂移。通过测量漂移可以在非常短的时间内确定如何校正。这个实验室或许是世界上唯一的一个实验室,它的基本的特色——使它能发挥作用的原理——就是地球在转动这个事实。假如地球不转动,它就不能用来校正仪器了。
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1700948626 4-9 地球的自转效应
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1700948628 我要讲的下一个题目是地球的自转效应(除了惯性导航器件的定标)。
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1700948630 地球自转的最明显的效应是风的大尺度运动。有一个有名的故事,你们听过一遍又一遍了,假如你有一只浴缸,你拔掉塞子,如果你在北半球,水就沿着某一个方向旋转;如果你在南半球,水就沿相反方向旋转——但你如果去试一试,这并不正确。其中假设 沿着一定的方向旋转的道理是在以下的情况中:假设在海洋底部,在北极下面,有一个排水口用塞子塞住。然后我们拔掉塞子,水就开始通过排水口流出去(见图4-23)。
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1700948635 图4-23 水流入在北极的假想排水口
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1700948637 海洋的半径很大,由于地球的自转,水流慢慢地随着地球围绕排水口转动。水向排水口流动过程中,从较大的转动半径变为较小的半径,所以水流必须转得越来越快以保持其角动量守恒(就好像自转着的滑冰运动员把她的双臂拉近身体时)。水流以和地球转动同样的方向转动,但水流必须转得更快,这样站在地球上的人就看到水流绕着排水口旋转。这是正确的,这是应当发生的情况。这种运动方式对风也确实 有效:如果有一个地方气压低,周围的空气力图进入这区域,它不是直接进来而是从旁边绕着圈流动过来——事实上,从旁边绕行变得如此之强,空气完全不是向中心运动,实际上是绕着低气压区域旋转。
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1700948639 这是关于天气的一条定律:假如你在北半球面向顺风,低气压总是在左边,高气压在右边(见图4-24),其原理和地球的自转有关。(这几乎 总是正确;有时在某些异常的环境中,这个定律无效,因为除了地球自转还有其他的力参与其中。)
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1700948644 图4-24 在北半球高气压会聚到低压地带
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1700948646 在你的浴缸中它失效的原因如下:造成这种现象的原因是水初始的转动——你的浴缸里的水正转动着。地球自转有多快呢?一天 一圈。你能不能保证你的浴缸里的水没有形成些微的运动,等价于一天 一次绕着浴缸冲激?没有。通常在浴缸里不断发生许多喷溅和激荡!所以这只在足够大的尺度上,像巨大的湖泊中,才有效。湖泊中的水是十分平静的,你可以很容易演示环流并不如一天绕湖一次那么巨大。那么,如果你在湖底打一个洞,让水流出去,水就会沿正确的方向转动,正如大肆宣扬的那样。
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1700948648 关于地球自转还有另外几个有趣的问题。其中一个问题是地球并不是严格的一个球体;由于自转的效应——离心力使它稍稍偏离球体,为了平衡地球引力而成为扁球形。如果你知道地球所起的作用有多大,你就可以算出有多 扁。如果你假设地球像理想液体,它会慢慢流动占据最终的位置。我们要问它的扁率应当是多少,你会发现在计算和测量的准确度范围内(大约百分之一的精确度)它和地球的实际扁率一致。
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1700948650 这对月球就不对了。按照它自转的速率,月球比它应该有的形状更不匀称。无论解释为月球还是液体的时候,自转得更快,还是凝固得很硬足以抗拒使它成为恰当的形状,或者其他可能。月球从来没有熔融过,它是由一堆流星凑合起来的——上帝在造它的时候没有做成非常精确和均衡的形状,所以它稍许有些不匀称。
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1700948652 我还要指出一个事实,扁的地球绕轴自转的自转轴不垂直于地球绕太阳公转平面(月球绕地球转动几乎在这同一平面上)。假如地球是一个球体,作用在它的中心的引力和离心力对于它的中心就会平衡。但由于它稍有不匀称,力就不平衡了;由于力图将地球的轴转到垂直于力线的方向的引力产生的转矩的存在,地球就像一个巨大的陀螺在空间进动(见图4-25)。
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1700948657 图4-25 由于引力引起的转矩使扁球形的地球作进动
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1700948659 今天指向北极星的地球的轴实际上是在慢慢地转动,终于,它将先后指遍张角为23½度的巨大圆锥形上面天空中的所有恒星。它要重新回到北极星需要花上26 000年,假如你从现在起到26 000年以后转世再生,你就可以不需要再学新的东西了。如果那是另一个时代,你只得学习另一种位置的“北极”星(或许是另一个名称)。
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1700948661 4-10 自转的盘
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1700948663 在上一讲(见《费恩曼物理学讲义》第1卷第20章“空间转动”)我们讨论了一个有趣的事实,就是刚体的角动量不一定和角速度在同一个方向上。我们举一个例子,以如图4-26所示的倾侧方式固定在转动轴上的圆盘。
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1700948668 图4-26 以倾侧方式固定在转动轴上的圆盘
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