這個問題很有意思,按照我們的經驗,直升機懸在空中不動,而地球卻是無時無刻不在轉動的,那豈不是直升機懸在空中一天,就可以環球一周了?
想是這麼想,但是事實好像不是這樣,直升機起飛了,只要不主動前後左右移動,就是在原地不動,絲毫沒有要「環球一周」的打算。這是為什麼呢?
我們先理解一點:直升機怎麼才算是真懸空?
直升機怎麼樣才算是「懸空」?有人會回答:直升機飛起來就是懸空唄,這還不簡單?但是實際上這個問題遠遠不是這麼容易解答的,我們來舉個例子吧。
一輛在高速上勻速行駛的汽車中,有一隻蚊子飛了起來,請問現在蚊子算是懸空了嗎?
不錯,看起來好像蚊子飛到了空中就是懸空了,但是,蚊子此時還是跟車子裡的空氣一起在高速上狂奔而去,在這種情況下,就算是蚊子在空中懸停一萬年,蚊子相對車子的位置也不會有絲毫變化。
這個道理運用到直升機和地球上也是一樣的:當直升機飛到空中的時候,實際上直升機和周圍的空氣都是跟隨整個地球一起轉動的,所以只要直升機不主動前後移動,那麼直升機相對於地球的位置就不會變。
用科學上的話來說,就是勻速行駛的汽車這個時候是一個「慣性坐標系」,在相對地面這個「絕對坐標系」運動。當我們站在地面上看這輛汽車的時候,任何的「懸空」(也就是相對於汽車懸停)其實都不是真懸空,而是跟著汽車一起高速運動。
那麼怎麼樣才能讓直升機「真正」懸空?
答案很簡單,在宇宙中搭一個巨大的吊車,把直升機吊起來、懸在空中,就像下圖中一樣。這個時候地球自己轉自己的,而直升機則相對地球的軸心保持不動。只要做到了這一點,直升機確實是可以做到「懸停24小時、環球一周」。
我們用一架吊車實現直升機的「真懸停」
畢竟直升機一直在那個位置沒有動,但是腳底下的地球卻是在不斷旋轉,根據常識就可以知道,直升機保持這個狀態24小時之後就相對地球就繞了一圈了。
我們先不去管能不能造出來這麼大的吊車,只說我們可憐的直升機身上會發生什麼事情
我先問一個問題:請問,有沒有人敢徒手摸一下下面的這個砂輪?估計只有瘋子才敢這麼干吧。之所以人人都知道摸這樣的砂輪是作死,是因為你的手是靜止的,砂輪是高速轉動的,你的手摸上去的時候因為手和砂輪之間的相對運動,會產生巨大的摩擦作用從而把你的手磨得血肉迸濺。
高速砂輪
那麼同樣的,當我們懸吊著直升機的時候,地球就像是一個巨大的砂輪、帶動著周圍的空氣,與靜止不動的直升機產生劇烈的摩擦作用。
而這個相對運動速度有多大呢?我們只要看一下地球赤道位置的線速度就知道了,這個相對運動速度是465.1m/s,換算一下就是1700公里每小時。而一場最劇烈的颶風風速才多大?答案是250公里每小時——這個速度只是1700公里每小時的零頭。
颶風跟1700公里每小時的時速相比,只是零頭
所以我們可憐的直升機就在如此之高的相對速度下,享受著來自地球大氣帶來的高達1700公里每小時的吹拂,估計直升機早就在風中散了架了。
如果我們要讓直升機實現「懸停24小時、繞地球一圈」的壯舉要怎麼辦呢?
如果我們一定要實現真正的「懸停24小時」的挑戰,我們需要讓直升機做到如下的幾點:
首先,直升機起飛之後要向地球運動方向的反方向加速到時速1700公里每小時,從而模擬出來「直升機被吊住、相對地軸不動」的真懸停效果。而著名的F-35戰鬥機,最大飛行速度大概是1900公里每小時,所以我們的直升機要加速到跟F-35戰鬥機一樣快。
我們的直升機要飛得跟F-35戰鬥機一樣快
然後,保持相同的方向、速度,直升機一直飛行24小時,在這個過程中直升機要克服巨大的空氣阻力,而空氣阻力是由於直升機與空氣之間巨大的相對速度造成的。現在的人類還沒有技術讓一架飛機在不空中加油的情況下高速飛行這麼久。
最後,經歷了24小時的「模擬懸停」之後,我們的直升機完成了「環球一周」的壯舉。
有人說:什麼?我要讓直升機以1700公里每小時的速度往一個方向飛?如果直升機這麼飛不是本來就可以環球一周嗎?那這還是懸停嗎?
所以問題的實際就是這樣的:只有讓物體在地球上高速運動起來,才能夠相對地球的中心靜止,實現所謂的「懸停」;而我們只是讓直升機起飛、相對地球靜止的時候,站在地球外看起來,直升機卻是在跟隨地球高速運動,並沒有「懸停」、直升機也不會跟地球之間產生相對運動。而這就是「相對運動」的含義。
比如說下面這張圖,你以為在高速運行的汽車上往上拋個球就是讓球「懸停」了?其實並不是的,從站在地面上的人看來,只有你把小球向後高速發射,才能夠讓這顆小球真正地「懸停」在空中。
如何讓汽車上的小球「懸停」在空中?
總結一下
直升機慢慢悠悠垂直飛到空中,不是真懸停,只有當直升機朝著某個方向高速飛行的時候,我們才能夠認為他是相對地球「懸停」在空中,也只有這個時候,才能夠實現「懸停24小時、繞地球飛行一圈」的效果。但是同時,在地球表面的人看來,為了實現「真懸停」,直升機要一路飛馳而去——這其實就是飛機正常的飛行。
所以,這就是「相對運動」中的道理——一切運動要看你以什麼為參考系,尤其我們在面對「懸停」這種聽起來就一定要選一個參考對象的運動方式。
文章來源: https://twgreatdaily.com/T0rK1m4BMH2_cNUg2DyS.html