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地球在自转,直升机悬停12小时后,会到地球另一边吗?

地球的引力束缚住地球上的万物,并且带着万物绕着地轴转动,这是我们每天看到太阳和星辰东升西落的原因。此时此刻,我们随着脚下的这片土地在快速转动,纬度越低,速度越快。

在南北极圈上(66°34′),地面的自转线速度为185米/秒,即666公里/小时。在南北回归线上(23°26′),地面的自转线速度为427米/秒,即1537公里/小时。而在赤道达到最快的速度,每秒可达465米,每天40180公里,这就是“坐地日行八万里”的由来。

既然如此,如果直升机起飞悬停在空中12小时,底下的地面在不断转动过去,那么,直升机在半天之后会不会到达地球的另一端呢?或者说悬停24小时,直升机会环绕地球一周,回到原地吗?

答案自然是否定的,不然人们早就这么做了。这背后的原因其实很简单,无非就两个字“惯性”。根据牛顿第一运动定律,只要物体所受的合外力为零,那么,它的运动速度就会保持不变,要么保持静止,要么保持匀速直线运动,这也被称为惯性定律。

假设在北回归线上,当直升机静止在地面上时,受力处于平衡。地球带着直升机一起转动,那么,直升机也有一个427米/秒的线速度。但由于与地面线速度一样,所以直升机保持相对静止。

当直升机在空中悬停时,竖直方向受力是平衡的,直升机产生的升力与受到的重力相等。而在水平方向上,直升机并没有受到力。根据惯性定律,拥有巨大惯性的直升机仍然会以427米/秒的水平速度在前进,这与地面速度一样,所以直升机不会相对于地面发生移动。

事实上,不止是直升机,就连空气都被地球的引力带着快速转动,水平速度与直升机一样快。但因为相对速度一样,彼此之间不会有相对运动,不然我们每时每刻都要面对呼啸而来的狂风。

或者我们也可以这么来想象一下,如果我们在北回归线上原地向上跳起来,在空中停顿1秒,落下来后仍然在原地,地面不会相对于我们转过427米,我们不会在427米之外落下来。

当我们乘坐一辆匀速行驶的车子时,假设速度为30米/秒,当我们向上抛起一个物体时,也会落回原地,不会落到我们后方几米的地方。如果车子中有一只蚊子,它也能正常在空中飞行,不会被甩到车子后面,因为蚊子、空气都会被车子带着向前运动,它们都有前进速度,或者说都有惯性。

只有当地球突然停止自转时,我们才会切身感受到巨大的惯性。在那时,所有物体都会朝着东面飞出去,因为惯性,物体仍然具有很大的速度。这就好比车子突然刹停,车子上的东西会向前动,我们也会感受到继续向前进的趋势。

如果真的想让直升机悬停12小时后到达地球的另一边,只能离开地球惯性系,从宇宙中挂一根无比结实的绳子下来,把直升机吊在绳子上,这样让直升机悬空,下面的地球表面就会相对于直升机转动过去。

然而,这个时候直升机又会面临一个巨大的问题――狂风。因为空气跟随着地表快速转动,如果把直升机悬挂在北回归线上,空气相对于直升机的运动速度高达427米/秒,已经超过了音速。要知道,风速达到61米/秒就已经是18级。在如此超强的风力作用下,直升机很难撑得住。

惯性运动很重要,尤其是在航天领域。对于水平速度达到每秒7.9公里的太空飞船,它不需要燃料来提供动力,只依靠惯性就能绕着地球飞行,我国的东方红一号就是通过这样的原理,在太空中飞行51年也不会掉下来。对于旅行者1号这样的星际飞船,它的速度大于太阳系逃逸速度,它可以无动力飞出太阳系,一直在银河系中飞行。