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地球在自轉,直升機在空中懸停12小時後,會到地球的另一邊嗎

地球在自轉,直升機在空中懸停12小時後,會到地球的另一邊嗎

地球在自轉,它繞自轉軸旋轉一圈的時間為24小時。由於地表是固態的,地球的整體自轉角速度保持一致,所以越靠近赤道的地方,自轉線速度越快。赤道上的轉動速度可達465米/秒,每天轉動大約4萬公里,這就是所謂的“坐地日行八萬裡”。

雖然我們無法直接感受到地球的自轉,但透過一些現象,我們可以知道地球在轉動。太陽的東昇西落正是由於地球的自西向東自轉引起的,我們把地表視作靜止參照系,太陽就會看起來在天空中運動。同樣地,夜空中星辰的升起和落下也是地球自轉所致。

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地球自轉還會造成地轉偏向力,這是科里奧利力沿著地表產生的分力。由於地轉偏向力的存在,大氣流動會受到偏轉,使得一些地方會出現季風,這讓古代人類的航海成為了可能。另外,熱帶氣旋的移動也受到這個力的影響。不過,漩渦受到地轉偏向力的影響可以忽略不計,排水口的初始擾動和幾何結構才是真正起因。

既然地球在快速自轉,那麼,如果讓一架直升機在空中懸停12小時,它會到地球的另一邊嗎?

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事實上,直升機懸停在空中,下方的地表並不會轉動過去。原因很簡單,直升機也會被地球帶著一起旋轉,這是由慣性效應所引起的。

地球一直在自轉,使得地球上的物體,就連空氣,都會被帶著高速運動。但地球非常大,而且在太空中執行十分穩定,所以很難覺察到我們一直在高速運動。我們通常會把地表視作靜止參照系,導致物體看起來都是靜止的。

在地表上的直升機本身隨著地球轉動,當它懸停在空中時,只產生了豎直方向上的力來抵抗重力,並沒有消除掉水平方向上的慣性。牛頓第一運動定律表明,在沒有水平力作用下,直升機就會保持最初的運動狀態,跟著地球一同自轉。12小時之後,直升機還是相對於地表不動。

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想要抵消掉慣性,就需要讓直升機在水平方向加速到地球自轉的速度,並且方向與自轉方向相反。如果是在赤道上,直升機的水平速度要達到465米/秒才行。在這種情況下,12小時後,直升機會飛到地球的另一邊。

不過,現實中直升飛機的飛行速度並沒有那麼快,達不到超音速的水平。一般而言,直升機的速度都沒有超過100米/秒,要在赤道上抵消慣性是不可能的,只有到自轉線速度較慢的高緯度地區才行。

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透過計算可知,在緯度為77。5°的地方,地球的自轉線速度為100米/秒。也就是說,只有在高於77。5°的高緯度地區,直升機才有可能真正“懸停”在空中,讓地球在其下方快速轉動過去。

另外,我們也可以透過一個小實驗證明,懸停12小時的直升機不會飛到地球另一側。如果我們在赤道上,豎直向上跳起來,並在空中停留0。5秒的時間。如果下方的地表會轉動過去,當我們落回地面的時候,距離起跳點將會達到232。5米,顯然這是不可能的。

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最後,再來考慮一下這種情況。假設在一列密閉的火車車廂內有一架無人機,在火車相對於地面靜止時,無人機懸停在車廂內。當火車開動時,懸停在空中的無人機會被甩到車廂的尾部嗎?