為什么飛機離開地球表面那么久,而不用考慮地球自轉(zhuǎn)的速度,難道慣性可以一直存在嗎?:為什么飛機離開地球表面那么久,而不用考慮地球自轉(zhuǎn)的速度,難道慣性可以
為什么飛機離開地球表面那么久,而不用考慮地球自轉(zhuǎn)的速度,難道慣性可以一直存在嗎?
你說的沒錯,慣性一直存在著。飛機不論離不離開地球,離開的久不久,飛機都是以自轉(zhuǎn)的地球為參照物,飛機的速度都是相對于地球自轉(zhuǎn)的表面線速度而言, 這跟是不是和地球接觸、是不是在大氣層無關(guān)。即使象人造地球衛(wèi)星離開大氣層了,它的速度也是相對于地球自轉(zhuǎn)的表面線速度而言。這也是航天發(fā)射為什么盡可能選擇緯度低的地方的原因,因為緯度越低的地方的自轉(zhuǎn)線速度越大,航天器可以借助這個速度較輕易地達到第一宇宙速度,火箭可以節(jié)省很多燃料,相當(dāng)于提高了運力。
位于赤道附近的庫魯航天發(fā)射場
我們知道人造衛(wèi)星的第一宇宙速度又叫環(huán)繞速度,大小是7.9千米/秒,它是相對于地球重心的,不是相對于地球表面的,這時可以把地球看成一個質(zhì)點。象赤道附近的線速度達到了40000/(3600x24)=0.46千米/秒,所以在赤道附近,衛(wèi)星只要相對于地球表面以7.9-0.46=7.44千米/秒的速度運動就能環(huán)繞地球。同理順著地球自轉(zhuǎn)方向發(fā)射衛(wèi)星要比逆著地球自轉(zhuǎn)方向發(fā)射衛(wèi)星要省力。這一切都因為慣性的存在。
當(dāng)然我知道題主在這里說“慣性一直存在嗎”指的是飛機隨地球自轉(zhuǎn)的慣性趨勢還在嗎的意思。按照牛頓力學(xué),慣性是物體本身的屬性,物體質(zhì)量是慣性的唯一量度。所以只要飛機還在,它的慣性就在。
不過馬赫認為慣性離不開引力,他認為慣性不是物體的固有屬性,是宇宙中其他物質(zhì)作用的結(jié)果,在非慣性系中“慣性力”不是虛擬的趨勢,而是一種引力的表現(xiàn),是宇宙中其他物質(zhì)對它的總作用。愛因斯坦吸取了他的精華,從慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量這個事實出發(fā)提出等效原理,創(chuàng)立了廣義相對論。這個等效原理是說引力場局域等同于慣性場。太空中地球、月球、太陽和其它行星等等形成的引力場很復(fù)雜,因此人造衛(wèi)星的慣性場也會很復(fù)雜,人造衛(wèi)星從地球發(fā)射后,在近地軌道以內(nèi)主要還是受地球引力場的作用,慣性趨勢還是離開地球前受到的地球表面運動趨勢。
飛機是在遠低于近地軌道的大氣層中飛行,它的慣性更是受地球表面的運動趨勢。人造衛(wèi)星離地球越遠,受地球影響越小,受月球、太陽和其它行星的影響則越來越明顯。
地月之間有一個引力平衡點,探月衛(wèi)星沿著地月轉(zhuǎn)移軌道到達這個平衡點后就只考慮月球引力而不必考慮地球的影響,它的慣性只受月球引力場影響。同理那些行星際探測器的飛行情況會更復(fù)雜。由此可見科學(xué)家計算設(shè)計航天器軌道的工作是非常復(fù)雜的,考慮的因素非常多,慣性因素更在其中,計算的式子絕非簡單的幾個萬有引力公式,當(dāng)然在目前牛頓力學(xué)足夠解決這些問題,隨著人類探測能力的提高,廣義相對論肯定會發(fā)揮越來越重要的作用。
這個問題有些奇怪,飛機飛行并非不考慮地球自轉(zhuǎn)的速度,而是已經(jīng)疊加了地球自轉(zhuǎn)速度,當(dāng)然了,這是從太空視角來看的結(jié)果,如果以地表的人類的視角,因為人類與地表可以認為是相對靜止,因此地球自轉(zhuǎn)對飛機速度產(chǎn)生的影響是看不出的。
我們都知道地球自轉(zhuǎn)周期是24小時,也就是每24小時,地球就會轉(zhuǎn)一圈,而赤道的周長大約是4萬公里,因此赤道上的線速度能達到每秒460多米,這個速度已經(jīng)超過了在標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣中的音速。
但如此高的速度,為何對人類的生活沒有產(chǎn)生嚴重影響呢?原因很簡單,因為人類也是跟著地球一起轉(zhuǎn)的。如果站在地表上觀測其他人,因為他們站立在地面不移動,所以會得出他們速度為零的結(jié)論;但如果我們在太空中觀測他們,他們的速度就地球自轉(zhuǎn)的線速度了。
因此這樣的結(jié)論同樣適用于飛在天上的飛機。
如果還是不能理解,那么你可以這樣想:按照題目的意思,直升機只需懸停在空中24小時,不做前后飛行動作,只需等著地球自己轉(zhuǎn),就能輕松環(huán)繞地球一周了。很顯然,這是不可能的。
這根本不是慣性的問題,而是地球引力的問題。
小時候一直很奇怪,既然地球是不停自轉(zhuǎn)的,那么我原地跳一下應(yīng)該落在其他地方啊,但是實際上不管你跳多高還是落在原地。同樣的道理飛機飛在天上也無法做到這一點,它的速度還是相對于地面靜止物體的速度。這是由于我們忽略了地球外面包裹的大氣層,它里面的空氣也屬于地球的一部分,也會受到地球引力,也隨著地球在自轉(zhuǎn)。
我們以為的地球是蛋黃,但是卻忽略了大氣層這厚厚的蛋清。飛機飛起來后雖然離開了蛋黃,但還是被蛋清包裹著,所以飛機想要飛到哪里還是要自己動手。
飛機離開地面后確不用“考慮”地球自轉(zhuǎn)速度,因為飛機的慣性一直存在著,所以飛機起飛前后與地球保持相同的線速度,這與有沒有空氣沒有太大關(guān)系,因為大氣層也和飛機一樣保持著相同的線速度!
想想汽車里的蚊子就明白了,汽車高速行駛,蚊子仍能非常平靜地在汽車里飛來飛去,從汽車的后面飛到前面,飛機之于地球就像蚊子之于汽車一樣!當(dāng)然前提是汽車窗戶是封閉的,而事實上地球大氣層也可以看做是封閉的,因為地球引力作用把大氣層牢牢“固定著”!
之所以很多人對于飛機飛行有可能是“懸!钡臓顟B(tài),有些人甚至?xí)J為如果懸停12小時就能到達地球另外一邊!
這種想法是典型的認知局限性,把飛機同地球隔離來看,如果是這樣的話,你直接跳起來在空中停留1秒,你降落時地面可能飛行了上百米!
再舉個例子,我們應(yīng)該都放過風(fēng)箏,用一根線拉著風(fēng)箏跑,風(fēng)箏當(dāng)然會跟著我們跑。而地球?qū)︼w機的引力雖然我們不能直接看見,但實際上就相當(dāng)于地球和飛機之間有一根繩子,地球拉著飛機一起自轉(zhuǎn),如此這樣飛機怎么“懸!蹦?即使飛機飛離地面,這跟繩子(引力)也一直存在著!
(首)因為地球?qū)︼w行的飛機仍然有吸引力作用。
不知道大氣隨著地球轉(zhuǎn)吧,要不然飛機飛起來等著就可以在一個經(jīng)緯上到某地點降落了。
但即便沒有空氣,換成火箭在天上垂直懸停,也同樣不需要考慮地球的自轉(zhuǎn)。
圖示:用生命驗證慣性定律
在一輛行駛的車中玩蹦蹦床,這人為啥沒落到地上,還能落回行駛的車中呢?
有三個原因:
1、被彈起的人具有慣性速度,方向和大小和車保持一致
2、車是勻速運動,沒有在人彈到空中后突然加速或減速
3、車的兩邊有擋板,擋板內(nèi)的空氣也在近乎用同樣的速度在同向運動,這就減少了空氣阻力對空中的人的影響,這人彈出擋板后,還自己用狗刨來消減部分空氣阻力影響,當(dāng)然狗刨的作用最低,但能提供點心理安慰。
圖示:垂直落地的奇怪彈丸,如果你不覺得奇怪,那你對慣性還是缺乏深刻體會
要讓一輛運動的車上所釋放的一顆彈丸,在地面觀察者眼中垂直落地,那就意味著需要抵消這顆彈丸本身所具有的向左運動的慣性,要做到這一點倒也不難,只要讓彈丸用同樣的速度向右運動即可,通過伽利略速度合成公式,就能讓該彈丸的水平速度相對于地面的靜止觀察者來說,速度為零。警告,這是相對于地面靜止的觀察者而言是速度為零,垂直下落。但對于處在車上的觀察者來說,他所看到的場景卻是彈丸在向右運動,劃出一道拋物線落地,當(dāng)然這是車上的人如果將自己設(shè)成不動的一方,才會有這樣的效果,這張動圖缺乏汽車上的視角,非?上。
不要說飛機飛十幾個小時,從地球出發(fā)的宇宙飛船也會帶著它們獲得的慣性在宇宙中永遠穿梭下去呢。比如當(dāng)我們飛往月球時,由于太空中沒有空氣阻力,升空后的宇宙飛船在擺脫地球的引力之后,就只需依靠慣性就能到達月球,不需要再額外耗費燃料來加速,恰恰相反,在到達月球時,不想和月球擦肩而過,要實現(xiàn)繞月或登月,那就還得想辦法減速呢,這要消耗部分自帶的燃料,并巧妙利用月球的引力實現(xiàn)減速,將月球引力當(dāng)阻力來用。
圖示:中國嫦娥一號近月制動減速,讓自己成為月球的衛(wèi)星。
假若施加于某物體的外力為零,則該物體的運動速度不變。
運動速度不變的意思是,靜止的物體不會自己動起來,運動中的物體不會自己停下來,會繼續(xù)保持勻速直線運動狀態(tài)。這種維持運動狀態(tài)不變的性質(zhì)就被稱為“慣性”。牛頓第一定律又因此被稱為“慣性定律”。
這個問題是于地球同步的,由于地球的引力,飛機在空中飛行也受到牽引的作用。比如直升機在地面上空漂浮三十分鐘,地球在轉(zhuǎn)旋,直升機還在原地上空沒動,只是還在上空漂浮。這就是地球牽引力的作用。
首先飛機離開地球那么久,是飛了高空航空線?墒墙德浜,機場停了。就沒有慣性了。停止了,什么慣性也沒了。而地球公轉(zhuǎn)自傳是不會停止的,一直都在轉(zhuǎn)。所以太空引力發(fā)生磁場反應(yīng)一直有。慣性是地球公轉(zhuǎn)自傳的軌道,讓月亮??太陽?東西運軌。你東我西,你西我東。年復(fù)一年,日復(fù)一日。都是這樣運軌。中間地球在自傳公轉(zhuǎn),一直是這樣。白天黑夜形成了。有太陽照的時候是黑夜。沒太陽時候,有月亮星星??。這是黑夜。相反南北東西半球。你白天我黑夜,你黑夜我白天。而且有的地方,黑的早。它明的也早。因為那里緯度低的特殊,太陽?升起時有第一地平線美稱。3點多就快黑了,就是落山時也黑的早,F(xiàn)實中的美國和我們的中國就是其中一個例子。中國白天,美國黑夜。美國白天,中國黑夜。
由于科學(xué)知識不多,對這問題一直有疑惑。飛機從機埸離開地球后,由于地球自轉(zhuǎn),飛機能測繪出機埸嗎,飛機也趕不上地球的自轉(zhuǎn)速度呀。原來只有這么想,大汽層的空間物質(zhì),于地球是同一體的,所以飛機雖然離開地面,也是在同一個物質(zhì)之中,同一個方向的自轉(zhuǎn),只是飛機本身飛行的質(zhì)量而已。
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