这个话题是很有意思的,黑洞君小的时候就想过类似的问题,当我们乘坐高速运行的列车,如果跳起来会发生什么?是不是从前边跳起来,直接就飞到了后边。嗡嗡叫的小虫子为什么在车里还能自由的飞行,不应该全都贴在后窗玻璃上吗?而我们知道地球是在自转的,24小时就能转行一圈,那么腾空的直升机12个小时一动不动再降落,是不是就在地球的对面已经跑到美国了,感觉这个设定还真是那么回事。
但事实告诉我们结果并非如此,飞机就是在那“停”一年,也不会跑到地球的另外一面。大家看到了停字是加双引号的,这是因为静止都是相对的,运动才是绝对的。虽然飞机看起来是静止,那是因为参考系不同。地球是带着山川、河流、海洋以及所有的生物还有大气层一起在自转,也就是说我们无论是站在地面上还是跳跃在空中,我们都是有速度的。
“坐地日行八万里,巡天遥看一千河”说的就是如此,即使我们静止不动,但实际上也能日行8万里,因为地球的赤道周长大约为公里。
我们所说的“飞机悬停不动”实际上它是一直在跟着地球自转的,因此非严格意义上来讲,飞机12个小时后落地,依然是原来的位置。但严格意义上来讲飞机并不会按照原来的位置下降,这里就要说到地球的自转,在地球上每一点的角速度都是相同的,换句话说相同时间内转动角度相同。但是不同的点相同时间转动的距离可能是不同的。
在地球不同纬度上的点线速度大小不同,因为前边说了角速度每个点都相同,而V=RW(V线速度、R半径、W角速度),那么也就意味着赤道上线速度最大,到两极是逐渐减小的。同时距离地面越高的位置,线速度就越大,这样才能跟得上地球的自转。假设这架直升飞机挺难在赤道上,此时它的线速度为公里每小时,当起飞后它具备这个地球自转带给它的初速度,飞到万米(10公里)的高空。此时角速度是不变的,但是半径已经从公里(赤道半径)变成了公里。如果此时用公式V=RW来计算线速度,已经比之前要大了。
这意味着这个直升飞机在万米高空上的线速度(从赤道上带来的),已经小于所在位置大气的线速度。简单来说也就是直升飞机跟不上地球的自转了,但是差别很小,仅仅12个小时是不会到地球另外一面的,至少得需要一年多的时间。感兴趣的自己去计算一下,在这里就不算了。
当然上边所说的是理想的状态,但事实可能稍有不同,因为飞机起飞的时候是赤道上的初始速度,但是在高空的时候要想保持着这个速度可能很难,一般来说我们认为的静止都是跟周围大气层保持一个速度了。因此还会出现一个有意思的现象:落体偏东。
通过这个问题我们可以了解一些知识点,首先就是关于静止和运动的问题,静止永远都是有前提条件的,是相对于地球静止、还是相对于太阳静止,亦或者是相对于银河系中心静止。因为地球在自转的同时,也在以每秒30公里的速度绕太阳公转,而太阳也带着八大行星以及各种小行星、矮行星和彗星等以每秒公里的速度绕银心运动,2.25亿年才能绕银心一圈。而银河系也不是静止的,如果继续说下去永远没有尽头。所以说问题中的这个飞机的悬停静止不好界定。
文/科学黑洞,图片来源网络侵删。