為什麼陸地上的交通工具提速總是比飛機難?

2021-01-09 瓜聊科學

眾所周知,一架飛機的速度是800-900公裡/小時,而陸地上的高鐵平均是280公裡/小時,汽車在高速上限速是120公裡/小時。

為什麼飛機的速度總比陸地上的交通工具快呢?

幾乎所有人都理所當然地這麼認為,即使有人質疑,也會讓人覺得傻,這不就是這樣的嘛。

然而看似簡單的問題,背後蘊藏著很多物理知識。

物體在運動過程中,都會受到某種力的影響。

汽車和飛機在運動過程中,就會受到空氣阻力的影響,但汽車比飛機行駛速度慢,這其實和汽車在地面上受到了地面阻力影響有關。

所謂的地面阻力是摩擦力嗎?

很多人認為地面阻力就是摩擦力,然而這個想法是錯誤的。

汽車排放的尾氣並不是像火箭噴射一樣在推動汽車,空氣阻力和摩擦力也不是汽車向後受到的外力。

摩擦力在我們生活當中無處不在,因為有了摩擦力我們才能夠行走。如果沒有摩擦力我們就如同在冰面上一樣。

汽車也和人一樣,前進的動力也是來源於地面的摩擦力。

發動機的牽引,汽車輪與地面相對地向後,地面的摩擦力就會向前。汽車所受到的向前的外力,這也就是汽車前進的唯一動力,當然上下坡就另當別論了。

所以,摩擦力在汽車給油過程中,它是向前的動力,不是阻力。

除了摩擦力外,汽車與地面之間是還有其他相互作用力。

磁懸浮列車最快可達603km/h,這個運動速度都歸功於滾動阻力。

如何解釋這種滾動阻力,那就要來打個比方。

假設輪胎是絕對的圓,地面絕對平整,但是滾動阻力依舊無法避免。

這其實是某種意義上的形變,我們都知道汽車停在地面上,受到地面的支撐力,這樣才能和汽車的重力相平衡。

之所以存在這種支撐力是因為地面發生了形變,地面上的無數的分子彈簧被擠壓,產生相反方向的作用力,當然我們的肉眼並不能看出來。

就好比開在路上的車輪胎突然癟了,或者因為天氣熱而變形,地面阻力依舊會很大。地面阻力無論在怎樣的輪胎上,它都無法徹底消除。

假設上圖的汽車是勻速向前的,紅色箭頭所表示的地面彈簧的擠壓是瞬時的,而綠色箭頭所表示的是能量釋放是有遲滯的。

這輛車在運行之中,所有的紅色彈簧的擠壓和阻力是無可避免的。

汽車向前行駛,綠色彈簧就可以釋放。但是當汽車速度很快的時候,綠色彈簧的釋放速度是追不上汽車的運行速度。

也就是說,綠色彈簧還來不及釋放,汽車就已經開走了,因此對於汽車來說,只感受到了紅色的阻力,沒有得到綠色的推力,還有來自外界的空氣阻力。

其他因素

當然除了「力」之外,汽車比飛機慢的原因還有發動機。

但是即使把飛機的發動機裝到汽車上,汽車靠四個輪子也開不過飛機。

另外一個原因是地面上人、車太多了,障礙物太多,導致汽車是不可能像飛機那樣自由加速。

反過來,若全球60億的人都在天上開飛機,那麼地上的汽車也是能開得飛快了。

然而,飛機在沒有障礙物的高度,也就是最大高度時,速度也不是最快的,這又是因為什麼呢?

飛機的速度會根據安全、經濟等因素綜合考慮,形成一種相對固定的常態速度來飛行,也就是巡航速度。

短航線平均在6000米-9600米,而長航線則在8000-12000千米。基本上民航客機的最高飛行速度不會超過12600米。

為什麼飛機不能開快得再快一點呢?

這是綜合考慮的結果,根據飛行距離、安全、經濟價值以及當時的天氣等因素綜合決定的。

民航客機的速度通常保持在800-900km/h,飛機在起飛之後會爬升到巡航速度。

開得過快會影響乘客的舒適度,機身和客艙都會劇烈搖晃,發動機產生巨大的噪聲。對於航空公司而言,旅客的安全和舒適度應該是排在首位的。

最重要的是,開得過快會影響飛機的使用。

速度過快會導致飛機各系統的負載大幅度增加,從而加速損耗各部件的壽命,為了飛機的壽命航空公司也不會一味地追求更快。

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