如果围赤道做一个钢圈,钢圈每个位置离地面固定一米,焊接后圈是会落地,还是悬浮在一米的空中?

阿泰14


这个问题还真有趣,因为它让我想到了一些从来没有想过的问题,比如我从来没有想过我受到地球的引力到底是来自哪里(或者是地球哪个部位),如果我钻进了地球很深的地方(当然是假设)引力会怎么变化,在地心又是什么情况?当年看电影《海底两万里》就隐隐感觉什么不对但却没去细想~

好了,言归正传,回答题主的问题。假设理想状态,地球是个完美的表面平滑的球形,那如果有一圈钢圈离地一米焊接,焊完后会落地,这个结论可证明的。

首先我们不可能悬空焊,这个就不用多说了。应该是要有一个一米高的架子摆好,然后焊完之后把架子拆掉。假设有足够多的人,在一瞬间拆掉了所有架子,这个钢圈瞬间悬空了,接下来会发生什么?

用反证法,假设钢圈是可以保持悬空状态的,那我们选取其中一小段来做力的分析。比如说1公里(整个钢圈的4万分之一),在这个长度上如果能保持悬空应该是看不出地球弧度的可以看作是平直的,但是这时候我们会发现,钢圈又不可能保持平直,因为它有重量,有了重量就不可避免地要变形向地面弯曲,学过高一物理力的分析的就可以知道,越接近直线,它的拉力就越大,具体大小应该是自身重量除以两倍的与水平的夹角的正弦值。1公里如果想要拉得变形幅度小于1米,两端的拉力就相当于各250倍重量,如果再长的话拉力也会随之更大,很显然那么大的拉力即使钢圈能承受,它也会在力的方向上被拉更长使得它终究会拖到地上。这也是所有的电缆都不可能完全拉直,一定要隔一段就需要一个电线杆的原因(索道也是同理)。所以之前的假设钢圈可以保持悬空状态是不成立的。



在回答了这个问题几个小时之后,发现有很多评论,很多人说不应该分析那么细,如果是假设了理想状态,那这个钢圈也应该是理想状态,也就是说它是绝对刚体。好吧,如果这个钢圈完全不会变形(无论是挤压还是拉伸或者扭曲),本身的强度又是无穷大不会断裂,同时我们还忽略空气的影响,它会不会悬浮呢?

答案还是不会。之所以讨论会不会悬浮,是因为它有重量,也就是地球的引力。既然有地球引力存在,那自然就不能忽略其他星球的引力——万有引力。根据万有引力定律,引力的大小和双方的质量成正比,和距离的平方成反比。由此可见,距离的引响更大。首先是太阳的引力,太阳离得太远,对地球上物体的引力只有地球引力的几十亿分之一,而且这个力已经作为所有物体随着地球绕太阳公转的向心力抵消了,可以忽略了。然后是其他行星和月球的引力,其他行星虽然都比月球大,但都太远,所以相比之下真正不可忽略的只有月球。月球质量是地球八十一分之一,距离约38万公里是地球半径的六十倍,可以算出月球对地球上物体的引力相当于地球引力的百万分之三,这是一个不可忽略的数字,这个百万分之三地球重量的引力其实就是我们海水产生潮汐现象的原因,它会把未能固定的物体吸引向自己,比如海水,比如我们讨论的这个钢圈。这个钢圈因为它各个方向受到的地球引力均匀相等,每一个方向的力都被它对面180度的力抵消了,所以它和地球之间引力的合力达到平衡,这时候月球的百万分之三的引力会打破这个平衡,使得钢圈往月球方向移动,远离月球的那一边会着地,靠近月球的那一边会离地2米。月球是围绕着地球转的,大约29天半转一圈,所以这个着地点也是在变化的(就像是在转呼啦圈),它移动的速度是约15.7米每秒,比人跑得快。最后说一个事,钢圈半径比地球大1米,周长只比地球周长大约6.28米,和总长约4万公里相比,只有千万分之一多点,几乎没什么区别。

问题回答到这种程度,如果再有杠精说,月球的引力也不应该考虑等等,我就只好认栽了。


笑看风云淡悠然天地间


首先我是个一个工学博士一年级在读的学生,其次我接下来的观点只由我本人负责,与学校无关,与父母无关,与国家的教育模式无关。如果要喷请喷我本人,请勿涉及其他人员。

题主的问题思路很明确,只是把刚体用钢材来描述可能会让材料学的同学表示不满。如果只考虑理想状态,我们把不妨把模型简化为一般的刚体模型:把地球简化为一个质点,把绕其一圈的钢材简化为具有绝对刚度不会形变的钢圈,同时把地球的引力场简化为以质点为中心的均匀发散磁场,最后我们把整个模型放置于真空环境中,从理论力学角度来分析,均匀钢圈各个方向上所受的力相互抵消,因此呈现出"悬浮"的状态。

但是,理想实验毕竟属于理想,考虑现实状态,比如地球不是均匀球体,各部分引力常量不同导致引力不同,钢材无法保证绝对刚度。综上,我给出两种情形可供参考:

1.假如钢材具有良好的塑性,那么钢材会被压缩,最终紧贴在地球表面上。

2.假如钢材不具有良好的塑形,且脆性很大,那么钢材会呈现出多段崩塌的状态,以一小段一小段的形式折断后散落在地球表面上。

以上观点仅代表个人看法,如有异议,欢迎讨论。



Cardiac


我靠,这一直是我心中存在的一个问题。第一次说出口,是初中和同学说了一下这个设想。同学听懵了都。第二次不死心,高中问了当时的地理老师。老师也愣了一下,当时给我的答案是估计那个圈会悬浮在地球上。后来我自己也思索了这个答案。

在绝对理想的情况下,圈应该是悬浮在地球外围的。从地面看,就是一条钢管悬浮在空中。

但这个绝对理想应该很难实现,估计至少钢圈要在大气层以外,就像其他行星的行星环一样。

如果要是在大气层内,有一点气流变化,使得这个钢圈在钢圈平面外的方向受力不均匀,估计钢圈会“靠倒”在地球上。就咣当咣当一顿乱撞,然后稳定在地球上,最后应该是有几个点会着陆,而大部分还是悬浮在地球上。毕竟圈儿比地球大。

靠脑洞理解吧


Greader


理想情况下,不考虑地球自转,认为地球是质量分布均匀的球体,不考虑磁场力,不考虑其他星球的作用,如果钢圈静止悬浮,每部分受地球万有引力都指向地心,钢圈有收缩的趋势,可计算出截面上的应力为长度为6400公里钢圈的重力,假设钢圈能承受这个应力而不溃缩,钢圈的平衡为不稳平衡,在微小扰动下,最终钢圈一处接触地面,钢圈所在的面在赤道面上,保持静止。

实际上,钢圈承受不了如此大的收缩应力,假如收缩应力对称均匀,会直径缩小2米,周长缩短6.28米,最后贴在地面上,保持静止。钢圈口径变粗的量可以忽略。因为收缩应力太大,此过程的时间只略微大于从1米高度处自由落体的时间,即0.45秒。

911事件中的世贸大厦钢材在高温下,承受不了压缩应力最终塌缩是一样的道理。


鲁建全


不考虑地球是球体,钢圈是圆形,该命题等价于4万公里长的一个铁棍,离地一米高,两段有支撑,有重力的情况下会怎样。会落地是不是?难道会浮在空中?

我们再来做个思想实验。围绕赤道有一个4万公里长的铁棒,避免杠精,我们假设没有山没有海,是个纯园圆,每隔一米一个柱子用来支撑。我们先撤掉一部分柱子,柱子间隔10米,如果钢圈够坚硬,那么下沉幅度不会很大,我们再撤掉一部分柱子,柱子间隔100米,我们发现,即便钢圈很粗很坚硬也会下沉,甚至接触地面。我们再撤掉一部分柱子,柱子间隔1000米,我们发现即便钢圈再粗再坚硬也会贴着地面了。我们继续撤掉柱子直到最后一根,这就是答案。


lgp3651


我来提供一个可靠答案,会悬浮。我能用实物证明。

先把问题变一下,因为是立体世界,假设悬浮在地球上的不是一个铁圈,而是一个空心圆球吧。

那么我们不需要去制造这个圆球,而是我们地球本身就拥有这样一个悬浮圆球,我们脚下踩得就是。

我们先回到地球是空心还是实心的问题。

地球,在太阳系中受到太阳的引力和公转旋转的离心率,处于一个各方引力平衡的失重状态。

地球表面的物体受到整个地球引力的合力,合力的方向指向地球的核心,这个很容易理解。

那么地球中心的物体,受到什么力?

主流科学说,来自整个地球各个方向的巨大压力。

我们就要问了,哪来的压力?什么是压力?一个汤圆,放在掌心,握拳挤压它这是压力。没有手挤压地球,地球只有自身物质间的万有引力。

用初中物理就能画出地球上物质受到的引力方向和大小,从地表到地心,受到的引力合力大小是一个曲线变化的。

我们跳过这一段,直接说地球中心。地球中心的物质根本没有受到任何压力,相反是来自整个地球四面八方向外的引力,引力互相抵消,最终合力为零。地球中心的物质是处于悬浮。

悬浮有两种可能,第一,出现一团圆形物体,与其他物体分离,悬浮于最中心,应该是旋转运动的。他受到的引力平衡无法坠落于任何一个地方。第二,最中心空无,应该是气体汇聚,稍重一点的物体会因为地球自转的离心力甩出。

也就是说,不论地球中心怎么悬浮,地球都应该是一个空心球。

接下来我们就回到这个题目,套在地球上的球壳会怎么样。

我们都知道一个现实地球下面有火山熔浆。这是液体物质,这个熔浆处于什么位置?答案是处于球壳与下一层球表之间。用篮球来理解一下就是处于篮球外壳和内胆之间。

熔浆在内胆和外壳运动不平衡,流动不及时时,受到的压力会造成一边火山喷发,缺少熔浆的另一边地陷。外壳挤压的震动就是地震。

也就是说如果在地球外表之外再造一层铁壳,只要密封得当,大气层起到熔浆的作用,这个铁球壳就稳定悬浮了。关于这个人造球壳受力不稳定,破裂的情况,我们就跳过不提。

…………

关于地球中心说有很多不同的观点。比如三体作品的大刘,有一部科幻,讲了一个地心文明,穿出地心,奔向宇宙的故事。但是大刘在地球球心结构上的论述是粗糙的。那个地心文明直到穿出地表,才接触到海水液体。他就跳过了熔浆这一段。

为什么球胆和球壳之间会出现熔浆呢?

答案是引力。

地表物质下沉类似于压力。而地心物质的引力方向是指向地表。用物理引力知识可以简单算出一个解,地球的地壳很薄,内胆很厚。所以熔浆一般是喷出地表,而不是喷向地心。

熔浆层的受力不是引力合力为零,而是真实腹背受敌的双重挤压力。

压力增加,密度增加,温度升高。

地球总质量大于一定程度的时候,引力带来的温度升高,达到岩石融化的温度就会出现熔浆。

如果另外一个星球,总质量不如地球,在岩浆层位置的温度虽然也高,但是不能成为液体。

大刘说的地心文明如果存在,他们所处的地球一定比我们的地球大,否则没有足够大的球心空间供他们文明生存。一旦拥有这么大的质量就必然会有熔浆层液态区域。

这就解释了当前主流科学。涉及的几个重要问题。

第一地球磁场。

第二地震预测。

第三行星探测。

地球的磁场来源于地壳和内胆之间的相对转动速度不均衡。外壳和内胆是相对转动的,而不是相对静止。熔浆是润滑剂。这就是说质量小的星球没有熔浆层就不会有整体磁场。这也能够解释为什么地球在地质层上,能够检测到地球磁极变化。

我们现在的地震预测算法,是建立在地球是实心球的基础上。所以我们的测算结果错的离谱,对地球的波测数据总是与理论数据相差极大。

行星探测是指当前官方科学,所说某某行星内部有地下液态水。行星的内部热量是怎么来的?球表温度是太阳光照。内部热量是行星自身引力带来的密度增加温度升高。因为引力是持续的,所以这个热量升高是持续的,除非行星的物体质量少于一定值。至于引力带来的温度是否能够保留液态水,主要是看行星的保温效果。如果行星的引力不断地产生热量,热量快速的辐射进入太空,那么这个行星就是寒冷的,不会有地下液态水。判断一个行星是否有地下液态水的标准不是看行星离恒星的距离,而是看这个行星的质量大小。当行星像地球这样大的程度。他不光能产生内热,还能融化岩石产生熔浆,内外旋转产生磁场,能抵抗太阳风暴,保留一定的大气层。

我以前玩贴吧的时候还对空心地球自转轴带来的问题也论述过,反正只要建立在地球空心的基础上,很多结论都不难得出。

比如,地球质量临界值多大才会出现熔浆?不同质量下,熔浆层在地表到地心半径的什么比例位置?地心空间占地球体积的大小比例与地球质量密度的关系?地心文明站在内胆上的重力有多大等等。

如果把这个问题进一步往外推,就是宇宙模型,我们所处的这整个宇宙如果是一片无垠“大地”中的一个气泡,这个气泡像地球球心一样处于引力平衡的悬浮状态,这个气泡收缩膨胀,这样就能够解释很多宇宙的问题。但是,再往下说就是属于玄幻内容。不说了没意思。

捎带提一下古人的智慧,还记得盘古开天地吗?盘古开天地描述的不是一个地表空间,而是一个混沌的地心空间。眼睛做太阳,月亮,撑天的柱子,描述的都是地心世界,只有地心世界才需要这样做。

这些神话传说的出现,是建立在古人哲学思考基础上的。这些思考的结果和方向有对有错。但是,对此地球这些文明神话的思考逻辑,我们自豪的发现,中国古人的思考是最成功的。上帝创世的神话逻辑,对此下来就是小白文的水平。

中国古代有玉佩,其中有一种内空的双环形玉佩造型,我猜测可能是空心地球的模型,更可能只是为了好看,没有任何文字记载,能够说明那是古人的地球模型设计。但是如果有古人真这么执着的想过,是会通过生物遗传,把他的想法遗传给后代,后人心血来潮就做出这种玉佩设计的。这一点我在悟空问答的另一个回答中有过论述。


nqeebxyooj


是这样的,在理想状态下不落地的话,均质钢圈其自重延轴向传递,钢圈闭合其轴向力作用力和反作用力相同最终抵消没有外力形成,自重转化为内应力。这个内应力就是这个钢圈的地球引力——自重。如果这个钢圈是10毫米的钢筋就应该是40000000m×0.617=24680吨。而分散在无数个(分母无穷大)截面上又几乎是“0”。在没有外力作用下,圆环单承受本身的自重就只有轴向力。但是有一个问题,那就是地球的直径太大了,它的弧度几乎是“0”。自重几乎还是与轴向垂直的,也就是说,相对于钢圈内分成一定长度的线段几乎是直线。当这个线段自重大于这段钢圈刚度变形要求时这段钢圈发生变形破坏,导致轴向力改变方向变成另一段钢圈的外力。也就是轴向力平衡体系被破坏。结论就是,这个钢圈无法凭自身刚度实现轴向传递自身重量,依然是简支梁结构,而且是相当于没有支座的简支梁。最后结果就是一根面条弯七咧八的落在地上。


顽石补天


如果这个圈受力平衡,是可以浮在空中的。要满足两个理想状态:第一,地球形状必须是绝对完美的球体,且地球的质量是均匀分布的;第二,要忽略其他天体的引力,特别是离地球最近的月亮的引力。

首先说说第一条,显然地球本身不是“完美球体”,而且地球表面有山川河流,如果做一个圈“每个点离地面都是一米”,那这个圈肯定不是圆的,而地球对这个圈的引力大小是与重心距离有关,离地球重心近的点受到的地球引力就大一点。按照你的条“每个点离地面都是一米”,那么每个点离地心的距离就会不同,受到引力就不同,无法实现浮在空中。

再说第二条,即使把上一条的条件“每个点离地面都是一米”改成“每个点离地球重心距离相等”,使得每个点受到地球引力相等,但是这个圈不只是会受到地球的引力,也会受到其他天体的引力,远的天体引力或许可以忽略,但是月球的引力是不能忽略的,而且天体之间相互运动也会随时改变引力方向,使得这个“圈”无法保持平衡。


很正规的名称




题主提出的这个问题过于理想化了。这个问题有非常多的条件是无法满足的。

1.首先地球并不是完美的球形,即使整体是个水球,也不能保证高度差一定小于一米。何况由于月球和太阳的引力,地球上潮水的高度相差最大在13到15米。

2.你这个钢圈,钢条的刚度不能保持完美的圆形。在钢圈曲率和地球的理想曲率相等的情况下,钢圈材料和结构使局部的变形是必然的。也就是说,钢圈的刚度抵抗不住地球对各个位置引力产生的变形。

3.即使钢圈的刚度足够,由于地球上各个位置的引力大小是不同的,钢圈各点的受力大小也不一样,所以理想的钢圈受力也不均匀。



4.即使以上条件都能满足理想,地球的质心和铁环的重心也不会在一个点上,因为地球也不是一个质量均匀的球体。更何况由于太阳和月球的引力,再加上地球的自转,地球的质心位置是在随时变化的。地球质心和钢环重心不重合,就不会稳定。

总之钢环无论做怎样的假设,也不可能悬在空中。


仰望星空


个人想法:

首先请材料学的同学说一下有没有可能制造出这种刚性材料,然后我来开脑洞啦!

假设地球就是表面光滑平整的扁球体(排除山、沟之类的影响),而这个环还是套在赤道上确保了环的直径长度大于地球表面任意两点的连线长度。

然后,一阵微风吹过位于东经0度的点受到向地面1N的力,整个环产生了一丁点位移,这时候引力核心跟环的圆心不重合了,而引力影响咱们把环拆成两个质点来类比,一个质点在东经0度,离地球的质心近,另一个离质心远……

通过万有引力公式得知,东经0度的质点距离更近受到的引力更大,于是最终变成了搭在地球上的环。


分享到:


相關文章: