地球在自转,直升机悬停12小时后,会到达地球的另一端吗?
太阳每天的东升西落,星辰在夜空中的转动,都是由地球的自转引起的。既然地球在不停自转,如果一架直升机在某地竖直起飞,并在空中悬停,经过12小时之后,它会不会到达地球的另一端呢?
根据测量,地球绕自转轴转360°所需的时间将近24小时。地球自转的角速度并不快,每小时才转过15°,一天才能转一圈。但地球表面非常大,这使得地球的自转线速度可以非常快。
纬度越低,地球的自转线速度越快。在北纬和南纬30°的地方,地球自转的线速度约为402米/秒,即1446公里/小时。在赤道上,地球的自转线速度最快,可以达到465米/秒,即每小时1674公里,每天4万公里。
尽管地球在自转,当直升机在空中悬停时,位于其下方的地表并没有快速转动过去。不然的话,我们早就可以用这种方式实现环球飞行,但事实不并非如此。这背后的原因很简单——惯性。
当地球自转时,在地球引力的作用下,也会带着地球上的所有物体一起转动。即便是矗立在地上的大树,或者看不见的空气,它们也会随着地球自转而运动。只是我们都在随着地球转动,与大树保持相对静止,所以并不会觉得大树在运动。
地球非常大,转动十分平稳,我们无法直观感受到地球的自转,只能通过日月星辰的运动,来间接知道地球在自转。这就如同在平稳行驶的高铁上,如果没有窗外的参照物和高铁运行时发出的声音,我们也无法知道高铁在运动。
当直升机起飞,并悬停在空中时,它仍然有随着地球转动的惯性,还会跟着地表一起转动。在12小时之后,直升机会随着地表一同转过半圈,直升机并不会独自飞到地球的另一端。
还是以高铁为例,当我们乘坐高铁匀速前进时,原地起跳之后,落下来仍然在原来的地方,而不会落到车厢的尾部。因为高铁上的人有惯性随着高铁向前运动,人与高铁在水平方向上保持相对静止。
除非直升机有一个与地球自转方向相反的速度,来抵消掉惯性,这样对于直升机而言,它下方的地表会不断转动过去。在12小时之后,直升机将会到达地球的另一端。但对于地面上的观测者来说,地面是静止的,而直升机以很快的速度在向前飞行。这其实变成了静止参照系选择的问题。
地球的自转没有停歇,地球上的物体也一直有惯性。试想一下,如果没有惯性,在纬度为30°的地方,我们原地起跳,腾空1秒后落下来,地表就会转过402米,下落点和起跳点将会变得非常远。
对于时速300公里的高铁,我们原地起跳腾空1秒,如果没有惯性,下落点将会距离起跳点达到83米。显然,这些现象并没有出现在现实中,竖直向上起跳之后,最终只会落到原地。
总之,在地球自转时,直升机也会被带着一起转动。当直升机悬停时,它随着地球转动的惯性依然存在,所以它相对于地表仍然是静止的。经过12小时之后,直升机并不会到达地球的另一端。
这个问题其实在上物理课,讲到万有引时也有做过一个比喻,就是人为什么跳起来后落地时还在原位。而这个现象可以用传统力学去解释。简单来说,就是惯性原理。
什么是惯性原理?
所有物体都将一直处于静止或者匀速直线运动状态,直到出现施加其上的力改变它的运动状态为止。或者一个不受任何外力(或者合外力为0)的物体将保持静止或匀速直线运动。
有人可能会觉得离开了地面就脱离了地球的自转,这个想法是欠妥的。因为地球自转不单单是地球转,还包括大气层一起在转,所以你是不可能停留在空中不动的,你在地面上跟在空中是没有任何区别的。在地球自转的同时,其实上面的全部物体包括空气,都在跟地球一块转动。如果只是简单地离开地面是无法到达地球的另一面的。
由于地球自转,任何离开地面的东西都具有和地球自转同方向同速的初速度,无论离地面多高,虽然感觉没动,其实还是和地面相对做同步运动,如果想达到问题中的如果我们离开地面100米不动,12小时后到达地球的另一边,那就必须先摆脱这种惯性运动,也就是说需要以地球反向自转速度飞行才可以达到这个效果,也就是以464米/秒飞行。
大家都知道地球的直径是4万千米,那以464米/秒飞行12小时的距离=464*12*3600=20044880米=2万千米,正好是半圈。
小结:
说来说去,其实还是地球的引力在作怪,想要离开地球100米不动,那必须要有消除地球引力的非凡能力,或者有不被地球吸引的功力,就像一粒铁砂和磁铁隔着一张纸,铁砂会被磁铁牢牢吸住,这张纸就比成100米,那么磁铁移动隔着一张纸的铁砂会随之移动。