TRÁI ĐẤT - HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ VÀ CHUYỂN ĐỘNG

Chương 2
TRÁI ĐẤT : HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ
VÀ CHUYỂN ĐỘNG

I. HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC VÀ KHỐI LƯỢNG CỦA TRÁI ĐẤT.
1. Hình dạng và kích thước.
- Người xưa thường quan niệm Trái đất bằng phẳng, bầu trời như một cái vung úp
xuống và nếu đi mãi ta sẽ gặp đường chân trời, có thể leo lên đó để lên trời. Nhưng từ thời
Aristotle qua quan sát Nhật, Nguyệt thực ơng đã đốn rằng Trái đất phải có dạng cầu. Mãi
đến thế kỷ 16 Magellan đã thám hiểm Trái đất bằng tàu biển. Nhưng ơng đi mãi khơng gặp
chân trời mà lại trở
về chỗ cũ, chứng tỏ Trái đất tròn. Đến thời Newton ơng cho rằng dưới
tác dụng của lực vạn vật hấp dẫn các thiên thể phải có dạng cầu, đúng hơn là phỏng cầu, vì
hơi phình ở giữa. Ngày nay các kết quả nghiên cứu cho thấy kết luận của Newton là đúng.
Người ta còn có thể nhìn thấy Trái đất hình cầu từ trên các tàu vũ trụ. Việc đo bán kính
Trái đất cũng
đã được tiến hành từ rất lâu. Ở Aicập từ thế kỷ thứ 3 TCN Eratoxten đã tiến
hành đo bán kính Trái đất khá chính xác R = 6400km.
Thực ra Trái đất hơ dẹt ở hai đầu nên bán kính ở xích đạo là: a = 6378,16km
Ở vùng địa cực là:
b = 6356,78km
vậy độ dẹt của Trái đất là:

ab 1
a298,25
−
ε= =

Số liệu này do hội Thiên văn quốc tế ghi nhận từ năm 1964.
2. Khối lượng Trái đất.
Sau khi xây dựng định luật vạn vật hấp dẫn, người ta có thể áp dụng nó để xác định
khối lượng Trái đất. Đã có nhiều phương pháp xác định khác nhau. Ví dụ: Thí nghiệm của
Cavendish người Anh 1978 (hơn một thế kỷ sau Newton) dùng cân xoắn để xác định hằng
số hấp dẫn G (xem sách lớp 10 - Vật lý).







Hình 18: Thí nghiệm Cavendish

Biết giá trị của G và gia tốc rơi tự do g ta có thể xác định được khối lượng của Trái đất
theo cơng thức : g =
2
M
G
R



Hình 17: Trái đất nhìn từ vũ trụ
F
M
m

m
F
M

- Có thể tính ra công thức này bằng cách : Biết lực tác dụng lên vật rơi tự do khối lượng m
là lực trọng trường F=
2
Mm
G
R
R: là bán kính Trái đất (coi vật rơi từ độ cao h << R).
Từ định luật 2: Newton F = ma thì ở đây a = g nên
2
M
G
R
.)
Từ đó : M =
262
24
11
gR 9,81(6,4.10 )
6.10
G 6,68.10
−
==

- Khối lượng chính xác được chấp nhận của Trái đất có ghi trong phụ lục.

II. HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ.

Để xác định vị trí của một vật trên Trái đất ta sử dụng hệ tọa độ địa lý.










Hình 19
Trái đất có dạng hình cầu và tự quay quanh trục (tưởng tượng) đi qua tâm của nó. Trục
đó cắt mặt đất tại 2 điểm: Địa cực
Bắc (B) và địa cực nam (N).
Mặt phẳng đi qua tâm vuông góc với địa cực BN cắt trái đất theo một đường tròn gọi
là xích đạo và chia Trái đất làm 2 nửa hình cầu: Bán cầu Bắc chứa địa cực Bắc và bán cầu
Nam chứa địa cực Nam. Ở Bán cầu Bắc nhìn về địa cực bắc sẽ thấy Trái đất quay ngược
chiều kim đồng hồ.
Các vòng tròn nhỏ song song với xích đạo gọi là vĩ tuyến φ. Xích đạo có vĩ
độ bằng 0o
(φ = 0o). Ở bán cầu bắc có vĩ độ dương thay đổi từ 0o ở xích đạo và 90o ở địa cực Bắc (0o
(90o).
Ở bán cầu Nam có vĩ độ âm, thay đổi từ 0
o
→
-90
0
ở địa cực Nam (0

o
→

−
90
o
).
Những vòng tròn đi qua hai địa cực được gọi là các kinh tuyến
λ. Người ta định ra một
kinh tuyến làm gốc (0
0
) đó là đường
kinh tuyến đi qua Greenwich ở Luân đôn (Anh). Kinh
độ có thể tính từ kinh tuyến gốc theo chiều tự quay của Trái đất (từ 0
o
đến 360
o
) hoặc qui
định 0
o

→
180
o
(độ đông) và 0
o
→
180
o
(độ tây).

Như vậy tọa độ của một điểm M trên Trái đất sẽ được xác định bởi vĩ độ φ và kinh độ
λ.
Ví dụ : Hà nội có φ = 21o1’12”

λ
= 105
o
52’12”
Thành phố Hồ Chí Minh : φ= 10o45’

λ
= 106
o
40’12”
Thủ đô Pháp (Paris) : φ = 48o52’12”

λ
= 2
o
19’48”
(Chú ý : Nhiều sách ghi φTP.HCM = 10
o
30’)
Do Trái đất có dạng phỏng cầu nên người ta còn đưa ra những khái niệm vĩ độ khác,
như: vĩ độ địa tâm, vĩ độ trắc địa, vĩ độ thiên văn …

ϕ
B
B
A

N
λ
0
M
G

III. CHUYỂN ĐỘNG TỰ QUAY QUANH TRỤC CỦA TRÁI ĐẤT.

Ngày nay ai cũng biết Trái đất tự quay. Do ảo giác ta cảm thấy Trái đất đứng yên,
Mặt trời và cả bầu trời quay. “Mặt trời mọc ở đằng đông, lặn ở đằng tây” kỳ thực là do
Trái đất tự quay theo chiều ngược lại: từ tây sang đông.
Do Trái đất quay nên ở một nơi trên Trái đất ta sẽ thấy Mặt trời mọc, lên giữa đỉnh đầu
và lặn, bóng đêm xuất hi
ện. Khoảng cách giữa 2 lần mọc của Mặt trời là một ngày ( đêm
tức một vòng quay của Trái đất, là 24 giờ. Do đó vận tốc góc và vận tốc dài của một điểm
trên xích đạo Trái đất sẽ là:

s/rad.,
..
,.
T
5
1027
606024
14322
−
==
π
=ω

v =
ω
R = 7,2.10
−5
.6,4.10
6
= 460m/s










Hình 20 : Con lắc Foucoult

Để chứng minh Trái đất tự quay năm 1851 nhà vật lý người Pháp Foucault đã sử dụng
dao động của con lắc. Con lắc này cân nặng 28kg, treo bằng sợi dây dài 0,7m gắn chặt vào
trần điện Patheon ở Pháp. Sau một thời gian dấu quét của con lắc xuống nền nhà rải cát
không phải là một đường thẳng duy nhất mà là nhiều đường thẳng chéo nhau, tựa hồ mặt
phẳng con lắc đã di dịch từ đông sang tây. Theo nguyên lý c
ơ học thì mặt phẳng dao động
của con lắc hoàn toàn đứng yên, không xê dịch, khi chỉ có trọng lực tác dụng lên nó. Như
vậy chính mặt sàn, hay quả đất đã xê dịch theo chiều từ tây sang đông.
Vận tốc quay của con lắc tỉ lệ với vĩ độ nơi đặt nó.
Ở địa cực
0

0
2 360
15 /
24Tg
π
ω
== =
giờ
Ở vĩ độφ:ω
φ
= ω.sinφ = 150/giờ .sinφ
Ở xích đạo φ = 0 nên ω
φ
= 0 hay con lắc đứng yên so với mặt đất.








Hình 21

- Do chuyển động tự quay nên các hệ qui chiếu gắn trên mặt đất xét một cách chính xác
sẽ không phải là các hệ qui chiếu quán tính. Trong hệ quay có những lực quán tính tác
dụng vào vật nằm trong hệ. Đó là lực ly tâm quán tính và lực Coriolis.
- Lực ly tâm quán tính (nên gọi là lực ly trục quán tính):
Khi đứng yên trên mặt đất, vật có khối lượng m sẽ chịu lực ly tâm quán tính tác dụng.

→
F
=
−
m
)r(
→→→
×ω×ω

28kg
67m
ω
ω
ϕ
ω

Hay lc ny cú giỏ tr bng lc
hng tõm nhng hng ra ngoi :
F=

m

2
r
(r l khong cỏch n trc quay
ca Trỏi t)

Hỡnh 22

- Lc ny s nh hng n gia tc trng trng ca Trỏi t (s xột sau)

- Lc Coriolis:
Khi vt chuyn ng vi vn tc tng i v (so vi Trỏi t nm yờn) thỡ khi tớnh n
s quay ca Trỏi t nú s b nh hng ca lc quỏn tớnh Coriolis:
c
F2mv

=ì


Lc ny khin cho cỏc vt chuyn ng trờn Trỏi t. (Vớ d: dũng sụng chy, giú,
ng ra xe la...) b lch so vi hng chuyn ng ca nú. Bc bỏn cu lch hng t
trỏi sang phi so vi chuyn ng ca vt. nam cu ngc li, t phi qua trỏi.











Hỡnh 23

Vớ d: hỡnh 23: Giú thi t xớch o lờn bc cc b lch thnh giú ụng bc (AB). Giú
thi t bc cc xung xớch o b lch thnh Tõy nam (BA). bỏn cu Nam ngc li.

IV. CHUYN NG TRấN QU O QUANH MT TRI.

Ngy nay chuyn Trỏi t chuyn ng quanh Mt tri tuõn theo 3 nh lut Keoler
khụng cũn l vn phi tranh cói na.
Qu o chuyn ng ca Trỏi t cú tõm sai tng i nh (0,0167) nờn trong nhiu
trng hp cú th coi nú l trũn a=150.106km. Trong thc t ti im vin nht A Trỏi t
cỏch Mt tri amax=152.106km, cũn cn nht P thỡ amin=147.106km.









Hỡnh 24

B
B
A
A
A
A
B
B
B
N

A

F F
Maởt trụứi
Traựi
ủaỏt

0
R

F
r

Thời gian Trái đất đi hết một vòng quanh Mặt trời gọi là năm vũ trụ bằng 365 ngày
06giờ 09phút 5,5giây (365,25 ngày).
Do ảo ảnh ta thường cho rằng Mặt trời chuyển động chứ không phải Trái đất. Ta có thể
giải thích ở hình dưới. (Hình 25)

Hình 25

Khi Trái đất di chuyển từ vị trí 1 sang 2, 3 ta tưởng rằng Trái đất đứng yên, do đó sẽ
thấy Mặt trời di chuyển trên vòm trời từ 1’ đến 3’. Quĩ đạo chuyển động nhìn thấy của
mặt trời trong một năm được gọi là Hoàng đạo, thực tế đó là quĩ đạo chuyển động của Trái
đất quanh Mặt trời. Trong khi chuyển động trục Trái đất luôn nghiêng với mặt phẳng quĩ

đạo chuyển động của nó một góc 66033’.(Độ nghiêng này có thể bị thay đổi do tiến động,
chương động, sẽ xét ở sau).









Gia tốc góc của Trái đất khi chuyển động quanh Mặt trời là
s/rad.
...
7
102
606024365
2
−
≈
π
=ω

Ứng với vận tốc tròn là v =ω. R= 2.10
-7
.150.10
6
= 30km/s


V. SỰ DI CHUYỂN CỦA TRỤC QUAY CỦA TRÁI ĐẤT.

1. Tiến động.
Nếu Trái đất có dạng thực đúng là một khối cầu, mật độ vật chất phân bố đều và tuyệt
đối rắn thì phương trục quay sẽ không bị thay đổi. Nhưng vì Trái đất có dạng phỏng cầu,
phình ra ở giữa nên lực tác dụng lên từng phần không đều, lực tác dụng từ Mặt trời lên Trái
đất không thể coi như trường hợp chất điểm. Nó có thể coi như tổ
ng hợp của 3 lực : lực F
tác dụng lên khối cầu tưởng tương tách ra ở phần trong khối phỏng cầu và đặt tại tâm 0, lực
F1 tác dụng lên phần nhô của nửa vành xích đạo nằm gần Mặt trời và F2 ở phần kia. Vì F1
> F2 nên kết quả là lực hút Mặt trời có xu hướng kéo mặt phẳng xích đạo Trái đất trùng với
mặt phẳng hoàng đạo. Nhưng vì trái đất tự quay quanh trục như con quay trong cơ h
ọc
nên kết quả là trục quay CC’ của Trái đất sẽ đảo quanh pháp tuyến OH của mặt phẳng
3’

1’
2’
1
2
3
1 2
66

o
33’
Hình 26
66
o
33’