有一种有趣的观点,按照我们的常规认知,直升机停在半空,而地球不断自转,似乎直升机停在原地一天便能自然环绕地球一周。然而,现实并非我们想象的那般,直升机起飞后,即使不主动移动,它仍稳稳地停留在原地,丝毫没有环绕地球的迹象。这背后的原因是什么呢?
首先,我们需要明白一个概念:直升机在何种状态下才算是真正的”悬空”?可能有人会说:”直升机飞起来不就是悬空了?”然而,答案远比这复杂。举个例子,想象一只蚊子在一辆匀速行驶的汽车内飞起,那么这只蚊子算是悬空了吗?
虽然看上去蚊子飘浮在空中,但实际上,它仍跟随车厢内的空气一起移动。即使蚊子在空中停滞数年,它相对于车辆的位置也不会有任何变化。
同样,当我们把这一现象应用到直升机与地球的关系上时,会发现直升机在空中,它与周围的空气都随着地球的转动而移动。因此,只要直升机不主动移动,它相对于地球的位置就不会改变。
科学上,我们将匀速行驶的汽车称作一个”惯性参考系”,而地面则是一个”绝对参考系”。当我们站在地面看汽车时,所有的”悬空”(相对于汽车的静止)实际上并非真正的悬空,而是随着汽车一起高速移动。
那么,怎样使直升机”真正”悬空呢?答案很简单,如果在太空中用一个巨大的起重机将直升机吊起,使之悬浮在空中,就像下图所示,那么此时直升机相对于地球的轴心是静止的。如果能做到这一点,直升机就能够实现”悬停24小时、环绕地球一周”。
因为直升机的位置保持不变,而地球在不断旋转,经过24小时,直升机就相当于随着地球自转一圈。
我们先不考虑能否制造出这样的巨型起重机,而只考虑直升机自身会面临什么。我们先来问一个问题:有没有人敢去摸一下高速转动的砂轮?
显然,正常人是不会去这样做的,因为当手与砂轮接触时,巨大的相对运动会产生剧烈的摩擦,导致严重的伤害。
同样,当我们让直升机在地球旁”悬停”时,地球就像一个巨大的砂轮,带动空气与静止的直升机产生剧烈的摩擦。这个相对运动的速度有多大呢?我们只需查看地球赤道的线速度,即465.1m/s,换算下来大约是1700公里每小时。相比之下,最强烈的飓风风速也只有250公里每小时——这只是1700公里每小时的一个零头。
所以,在这样高的相对速度下,我们的直升机将承受来自大气的高达1700公里每小时的吹拂,可能直升机在风中早已散架。
如果我们想让直升机完成”悬停24小时、环绕地球一圈”的壮举,该怎么做呢?如果一定要实现”真悬停”的挑战,我们需要让直升机做到以下几点:
首先,直升机起飞后需要向地球运动的反方向加速至时速1700公里每小时,以此来模拟”被吊住、相对地轴不动”的真悬停效果。而像F-35战斗机这样高速的飞机,最大飞行速度大约1900公里每小时,所以我们的直升机需要加速至与F-35战斗机一样快。
其次,直升机需要保持同样的方向和速度,持续飞行24小时。在此过程中,直升机必须克服巨大的空气阻力,这阻力正是由于直升机与空气间的巨大相对速度造成的。当前的人类技术尚无法支持一架飞机在不空中加油的情况下高速飞行如此之久。
最后,在经过24小时的”模拟悬停”之后,我们的直升机便完成了”环绕地球一周”的壮举。
有人可能会质疑:”什么?我要让直升机以1700公里每小时的速度飞?如果这样飞,直升机不就已经可以环绕地球了吗?这还是悬停吗?”
问题的实质是:只有让物体在地球上高速移动,才能相对地球中心静止,实现所谓的”悬停”;而当我们让直升机起飞并相对地球静止时,站在地球之外看,直升机实际上正随着地球高速移动,并没有”悬停”,直升机也不会与地球产生相对运动。这就是”相对运动”的含义。
比如,在一辆高速行驶的汽车上向上抛球,你以为球”悬停”了?实际上并非如此。站在地面上的人看来,只有你将小球向后高速发射,这颗小球才能真正”悬停”在空中。
如何让汽车上的小球”悬停”在空中呢?
总结一下,直升机缓慢垂直飞到空中并不是真正的悬停。只有当直升机朝某个方向高速飞行时,我们才能认为它相对地球”悬停”在空中,只有在这种情况下,才能实现”悬停24小时、环绕地球一圈”的效果。但同时,在地球表面的人看来,为了实现”真悬停”,直升机要一路飞驰而去——这便是飞机正常飞行的状态。
所以,这就是”相对运动”的原理——所有运动都取决于你选择的参考系,特别是当我们面对”悬停”这种需要选定参考对象的运动方式时。
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