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地球在自轉,直升機懸停12小時後,會到地球另一邊嗎?!
2021/11/02
2021/11/02

地球的引力束縛住地球上的萬物,並且帶著萬物繞著地軸轉動,這是我們每天看到太陽和星辰東升西落的原因。此時此刻,我們隨著腳下的這片土地在快速轉動,緯度越低,速度越快。

在南北極圈上(66°34′),地面的自轉線速度為185米/秒,即666公里/小時。在南北回歸線上(23°26′),地面的自轉線速度為427米/秒,即1537公里/小時。而在赤道達到最快的速度,每秒可達465米,每天40180公里,這就是「坐地日行八萬裡」的由來。

既然如此,如果直升機起飛懸停在空中12小時,底下的地面在不斷轉動過去,那麼,直升機在半天之後會不會到達地球的另一端呢?或者說懸停24小時,直升機會環繞地球一周,回到原地嗎?

答案自然是否定的,不然人們早就這麼做了。這背後的原因其實很簡單,無非就兩個字「慣性」。根據牛頓第一運動定律,只要物體所受的合外力為零,那麼,它的運動速度就會保持不變,要麼保持靜止,要麼保持勻速直線運動,這也被稱為慣性定律。

假設在北回歸線上,當直升機靜止在地面上時,受力處于平衡。地球帶著直升機一起轉動,那麼,直升機也有一個427米/秒的線速度。但由于與地麵線速度一樣,所以直升機保持相對靜止。

當直升機在空中懸停時,豎直方向受力是平衡的,直升機產生的升力與受到的重力相等。而在水準方向上,直升機並沒有受到力。根據慣性定律,擁有巨大慣性的直升機仍然會以427米/秒的水準速度在前進,這與地面速度一樣,所以直升機不會相對于地面發生移動。

事實上,不止是直升機,就連空氣都被地球的引力帶著快速轉動,水準速度與直升機一樣快。但因為相對速度一樣,彼此之間不會有相對運動,不然我們每時每刻都要面對呼嘯而來的狂風。

或者我們也可以這麼來想象一下,如果我們在北回歸線上原地向上跳起來,在空中停頓1秒,落下來後仍然在原地,地面不會相對于我們轉過427米,我們不會在427米之外落下來。

當我們乘坐一輛勻速行駛的車子時,假設速度為30米/秒,當我們向上拋起一個物體時,也會落回原地,不會落到我們後方幾米的地方。如果車子中有一隻蚊子,它也能正常在空中飛行,不會被甩到車子後面,因為蚊子、空氣都會被車子帶著向前運動,它們都有前進速度,或者說都有慣性。

只有當地球突然停止自轉時,我們才會切身感受到巨大的慣性。在那時,所有物體都會朝著東面飛出去,因為慣性,物體仍然具有很大的速度。這就好比車子突然刹停,車子上的東西會向前動,我們也會感受到繼續向前進的趨勢。

如果真的想讓直升機懸停12小時後到達地球的另一邊,只能離開地球慣性系,從宇宙中掛一根無比結實的繩子下來,把直升機吊在繩子上,這樣讓直升機懸空,下面的地球表面就會相對于直升機轉動過去。

然而,這個時候直升機又會面臨一個巨大的問題——狂風。因為空氣跟隨著地表快速轉動,如果把直升機懸掛在北回歸線上,空氣相對于直升機的運動速度高達427米/秒,已經超過了音速。要知道,風速達到61米/秒就已經是18級。在如此超強的風力作用下,直升機很難撐得住。

慣性運動很重要,尤其是在航太領域。對于水準速度達到每秒7.9公里的太空飛船,它不需要燃料來提供動力,只依靠慣性就能繞著地球飛行。對于旅行者1號這樣的星際飛船,它的速度大于太陽系逃逸速度,它可以無動力飛出太陽系,一直在銀河系中飛行。




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