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太陽每天的東升西落,星辰在夜空中的轉(zhuǎn)動,都是由地球的自轉(zhuǎn)引起的。既然地球在不停自轉(zhuǎn),如果一架直升機(jī)在某地豎直起飛,并在空中懸停,經(jīng)過12小時之后,它會不會到達(dá)地球的另一端呢?
根據(jù)測量,地球繞自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)360°所需的時間將近24小時。地球自轉(zhuǎn)的角速度并不快,每小時才轉(zhuǎn)過15°,一天才能轉(zhuǎn)一圈。但地球表面非常大,這使得地球的自轉(zhuǎn)線速度可以非???。
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緯度越低,地球的自轉(zhuǎn)線速度越快。在北緯和南緯30°的地方,地球自轉(zhuǎn)的線速度約為402米/秒,即1446公里/小時。在赤道上,地球的自轉(zhuǎn)線速度最快,可以達(dá)到465米/秒,即每小時1674公里,每天4萬公里。
盡管地球在自轉(zhuǎn),當(dāng)直升機(jī)在空中懸停時,位于其下方的地表并沒有快速轉(zhuǎn)動過去。不然的話,我們早就可以用這種方式實(shí)現(xiàn)環(huán)球飛行,但事實(shí)不并非如此。這背后的原因很簡單——慣性。
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當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)時,在地球引力的作用下,也會帶著地球上的所有物體一起轉(zhuǎn)動。即便是矗立在地上的大樹,或者看不見的空氣,它們也會隨著地球自轉(zhuǎn)而運(yùn)動。只是我們都在隨著地球轉(zhuǎn)動,與大樹保持相對靜止,所以并不會覺得大樹在運(yùn)動。
地球非常大,轉(zhuǎn)動十分平穩(wěn),我們無法直觀感受到地球的自轉(zhuǎn),只能通過日月星辰的運(yùn)動,來間接知道地球在自轉(zhuǎn)。這就如同在平穩(wěn)行駛的高鐵上,如果沒有窗外的參照物和高鐵運(yùn)行時發(fā)出的聲音,我們也無法知道高鐵在運(yùn)動。
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當(dāng)直升機(jī)起飛,并懸停在空中時,它仍然有隨著地球轉(zhuǎn)動的慣性,還會跟著地表一起轉(zhuǎn)動。在12小時之后,直升機(jī)會隨著地表一同轉(zhuǎn)過半圈,直升機(jī)并不會獨(dú)自飛到地球的另一端。
還是以高鐵為例,當(dāng)我們乘坐高鐵勻速前進(jìn)時,原地起跳之后,落下來仍然在原來的地方,而不會落到車廂的尾部。因?yàn)楦哞F上的人有慣性隨著高鐵向前運(yùn)動,人與高鐵在水平方向上保持相對靜止。
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除非直升機(jī)有一個與地球自轉(zhuǎn)方向相反的速度,來抵消掉慣性,這樣對于直升機(jī)而言,它下方的地表會不斷轉(zhuǎn)動過去。在12小時之后,直升機(jī)將會到達(dá)地球的另一端。但對于地面上的觀測者來說,地面是靜止的,而直升機(jī)以很快的速度在向前飛行。這其實(shí)變成了靜止參照系選擇的問題。
地球的自轉(zhuǎn)沒有停歇,地球上的物體也一直有慣性。試想一下,如果沒有慣性,在緯度為30°的地方,我們原地起跳,騰空1秒后落下來,地表就會轉(zhuǎn)過402米,下落點(diǎn)和起跳點(diǎn)將會變得非常遠(yuǎn)。
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對于時速300公里的高鐵,我們原地起跳騰空1秒,如果沒有慣性,下落點(diǎn)將會距離起跳點(diǎn)達(dá)到83米。顯然,這些現(xiàn)象并沒有出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中,豎直向上起跳之后,最終只會落到原地。
總之,在地球自轉(zhuǎn)時,直升機(jī)也會被帶著一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)直升機(jī)懸停時,它隨著地球轉(zhuǎn)動的慣性依然存在,所以它相對于地表仍然是靜止的。經(jīng)過12小時之后,直升機(jī)并不會到達(dá)地球的另一端。
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