有人常常有這樣的美好願望:地球在自轉,飛機只要懸在空中,不要移動,地球自轉就可以把飛機轉到地球的另一面。事實無情地毀滅了他們的這種臆想,但有人硬是不甘心,頑強地認為,地球在自轉,肯定會對飛機有影響,就像順水和逆水行舟,需要的能量和得到的速度肯定是不一樣的。因此飛機往不同方向飛,是不是順著地球自轉或公轉,得到的速度和消耗的燃油也會不一樣。
現在我們就來討論一下這個問題。
首先肯定回答:不會,因為飛機是在地球慣性參照系裡。
慣性參照系又叫慣性坐標系,簡稱慣性系。如果我們把S作為一個慣性系,則任何相對S做等速直線運動的參考系S'都是慣性系。在慣性系中,不受外力時,一切物體總保持與參考系的相對勻速直線運動或靜止狀態。
慣性系有嚴格的定義,必須符合牛頓慣性定律描述,需要試驗來確定。但在我們現實生活中,一般可取近似的慣性系,如與地球相固結的坐標系是一個很好的近似的慣性系。在地球上,地球就是我們的參照物,相對其他物體,地球就是靜止的。
地球一個直徑為12742公裡的大球,它每時每刻都在以約466米/秒的速度自轉(赤道線速度),以約30公裡/秒的速度公轉,其運動方向本身是直線勻速運動的,只是在太陽引力作用下被拉扯著走一個橢圓軌道。
在地球重力的作用下,我們人類和各種物體都被牢牢吸引在地面上,如果沒有外力,我們就一直會與與地球一起做著同樣勻速運動,無法覺察到它是在動的。
在地球慣性系裡,相對地球上的一切物體,地球就是靜止的。
在地球這個大慣性系裡,人類和地球上一切物體,輪船、高鐵、飛機甚至風雨雷電,都是這個慣性系裡的物體,地球相對這些物體就是靜止的,這些東西只有藉助外力才能夠移動,但不管往東西南北哪個方向移動,都是相對地球坐標移動,不存在哪邊快些哪邊慢些的問題。
我們感覺不到地球在動,但看看日月星辰,東升西落,就知道地球在自轉了;地球自轉軸有個傾角,陽光照射到地球上的位置就會隨著公轉而變化,就有了一年四季春夏秋冬,由此我們才能夠感覺到地球在公轉。
連地球上的大氣、風雷雨電都在地球這個近似慣性系裡,跟著地球一起運行,飛機飛離地面還是在這個慣性系裡,只有通過外力取得加速度,才能夠改變地球慣性系裡的運行狀態,改變這種狀態的的速度以外力的大小成正比,而不是與地球自轉有關。
因此不管是你順著地球自轉公轉方向飛,還是反著方向飛,不會出現哪個方向更快的效應,但會出現晝夜時間的變化。如果你一直向西飛,就好像一直在追趕落山的太陽,這樣白天就會長一些,而向東飛,就是與太陽背道而馳,白天就會更快的變黑夜,而黑夜也會更快迎來日出。
任何近似慣性系裡的參照物是靜止的。
這裡打個比方,如果你在一艘輪船或者高鐵或者飛機上,可以認為這個運載工具是一個近似小慣性系,乘客在與這個運載工具相同速度在運行,運載工具相對他們就是靜止的參照物。這時候,你往輪船或高鐵或飛機的前進方向或反方向走,會覺得不一樣嗎?當然,這些運載工具都很小,而且在行進中並非完全處於直線勻速,會有轉彎或上下坡度,輪船上還有風向,就一定程度影響你前進速度和力度。這些擾動,在地球這個大慣性參考系中,就基本可以忽略了。
客機一般飛行速度在800~1000公裡/小時,實際上我們也在以這個速度運動,因此相對飛機就是靜止的。如果飛機很平穩地運行著,我們幾乎感覺不到它在運動,只有看窗外,才能夠看到物體都在向後飛馳。這與我們在地球上看到日月星辰在東升西落,知道地球在自轉是一樣的道理。
如果你坐在飛機中部,要上廁所,往前走或往後走根本與快慢無關,那麼你覺得往哪邊走快點呢?還有一個簡單辦法檢驗你與飛機高鐵的相對靜止狀態:飛機每秒以200多米的速度飛行,高鐵在以每秒近百米速度疾馳,你如果站在上面,往上一跳,就會往後飛幾十上百米嗎?不會,你在哪裡跳起來,還是落到哪裡,說明高鐵、飛機相對你是靜止的。
這與飛機在地球上飛,地球相對飛機是靜止的一樣的道理。人也是地球慣性系裡的物體,也跟著地球自轉以每秒466米速度運行,如果飛機向不同方向飛會有速度不同,那人類朝不同方向跑也不就有不同了嗎?而且人在地球上跳高跳舞不都有問題了,跳起來一下,不久走了漂移了幾百米了?那跳遠反著自轉跳要跳多遠啊?
太陽是一個更大的慣性系。
其實,太陽也在圍繞著銀河系中心狂奔,速度達到每秒約250公裡,公轉周期,也就是圍繞著銀心轉一圈需要約2.5億年。因為地球是在太陽慣性系裡面,因此太陽相對地球就是靜止的,感覺不到太陽在狂奔。在古代蒙昧時期,人們並不知道這些,而是把地球作為參照系,看到的日月星辰就圍繞著地球轉,由此形成了地心說。
因此選擇慣性參照系很重要。現在的人造飛行器往行星際或太陽系外飛去,就不能以地球為參照系,而必須以太陽為參照系,人造探測器飛行的速度就是相對太陽的距離計算的。如旅行者1號現在每秒速度為17公裡,就是相對離開太陽的速度。相對地球速度卻要根據地球運行的方位,離開速度有時快有時慢。
而飛機受地球參照系影響,飛行速度是與地球地面坐標為依據,是在與地球同步運行基礎上,通過外力做功形成的非坐標系速度,因此不管往哪邊飛,理論上速度都只受功率影響。但有一點需要考慮,就是地球自轉會一定程度影響大氣流動,而飛機飛行過程會受到風速等影響,但這種影響較小且隨機性大,總體上地球自轉公轉與速度快慢沒有明顯關聯。
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