地球的引力把地球上的一切都束缚在一起,以地轴为轴旋转,这就是我们每天看到的太阳和星辰东升西落。但当人们把视线投向浩瀚太空时,却发现太阳系中其他行星也像人类一样受到了巨大的吸引。这就是为什么我们会有“万有引力定律”的缘故!我们都是宇宙的主人?在这一刻,我们伴随着脚下大地的急速旋转,纬度越小,速度就越快;
地面自转线速度185米/秒,即666公里/小时,位于南北极圈上(66 34′)。这个数据是世界最高的;也是地球最古老的速度之一。在南极大陆和北极大陆之间,存在着一条巨大的磁带,它将南极洲与北冰洋连接起来。在南北回归线(23 26′)上,地面自转线速度为427m/s,即1537km/h。并且在赤道上达到最高速度——465米/秒,日行40180千米,即所谓“坐地日行八万里”之说。
如果是这样,假如直升机升空后悬浮了十二个小时,而下面的地面还在不停地绕着它转,那么直升机半天也飞不到地球另一端吗?如果是的话,它是否可以安全降落到地面上呢?还是悬停24小时,直升机会绕地球一周返回原位?
回答自然不是,要不大家早就做过。但为什么我们总是不知道怎么做呢?其实这是由于我们对物理规律和概念理解得不够准确所致。很多学生认为物理难学、难懂。其实就是因为他们没有掌握正确的学习方法。其实,其背后的道理非常简单,无非是两个字——惯性。 根据牛顿第一运动定律,只要物体所受的合外力等于零,则其运动速度不变,或静止,或做匀速直线运动,这就是人们常说的惯性定律。
假设在北回归线上,直升机静止在地面上时,受力处于平衡状态。 地球随着直升机一起转动,那么直升机的线速度也是427米/秒。如果我们把它绕地转圈一圈的话,则需要转360 .这样做是不对的,因为地轴方向和垂直位置都会受到影响,从而导致运动状态发生变化。因此,必须改变飞行姿态。但由于与地面线速度相同,直升机一直处于相对静止状态。
直升机悬浮于空中后,在竖直方向上受力达到平衡,直升机产生的升力与所受重力相当; 而在水平方向上,直升机不受力。 因此可以说,垂直起降飞机和平飞飞行都不存在任何问题。然而,如果你仔细观察就会发现,有一种情况却让人大跌眼镜:直升机在空中突然停止了运动!为什么呢? 从惯性定律可知,惯性较大的直升机仍将以水平速度427 m/s向前运动,与地面速度相当,因此直升机不可能相对地面运动。
其实何止直升机,就连空气也在地球的引力作用下快速转动,水平速度与直升机相当。 不过由于飞机和直升机之间存在较大差异,所以它们在地面上所表现出来的效果也不尽相同。 但是由于相对速度相同,彼此之间不会有相对运动,否则我们每时每刻都要面对狂风呼啸。
或者设想:当我们在北回归线上的原位置起跳时,空停1秒钟,落地后仍保持原来的姿态时,地面与我们的相对高度不超过427米就不会下落。
当我们乘坐匀速前进的汽车时,假设车速为30m/s,当我们抛出一个物体后,同样会回落到原来的位置,而不是落在后面几米的位置。 如果你是一名司机的话,你知道这意味着什么吗?如果车子没有动力,就无法向后运行;而如果车子有了动力,那么它就可以沿着自己的路线一直飞下去。 假如汽车上有蚊子,它在空中也能正常飞行,不会被汽车甩在身后,因为蚊子,空气都会被汽车带着向前运动,它们都有前进速度,或者说都有惯性。
只有当地球忽然不再自转时,我们才会切身地体会到其巨大的惯性。 那是20世纪70年代,科学家们发现了地球磁场中存在着一种叫做"磁极化现象",即由于地球旋转产生了向心力。这种离心力将整个地磁系统拉成一条直线。 那时,所有的物体都会向东面飞出,由于惯性的作用,物体的速度还是很大的。 就像汽车突然刹停,车上的东西会向前运动一样,我们也会感受到继续向前发展的趋势。
假如真的要直升机悬停12小时后到达地球彼岸,那它就只能脱离地球惯性系,从宇宙中垂下一根无比坚固的绳索,把直升机吊在绳索上,使直升机悬空,下面的地球表面就会相对直升机转动而过。
但是,此时直升机又将面对另一个重大课题——狂风与海浪。 因为空气会随着地面的迅速转动而转动,若把直升机悬挂在北回归线上,相对于直升机的空气运动速度可达427米/秒,已经超过音速。 而此时直升机所能承受的最大拉力却只有原来的1/10!所以,风越大,直升机越有可能倾覆;风越小,直升机越容易被吹翻。这是什么原因呢? 要知道风速达到61米/秒时,已经达到18级。 在如此强大的风力作用下,直升机难以支撑。
惯性运动非常重要,尤其是航天领域。 在宇宙空间里,有许多物体都是靠惯性力驱动前进的,例如:人造卫星、空间站等航天器。而这些航天器又离不开一个部件——发动机。 对于水平速度为7.9千米/秒的太空飞船来说,它不需要燃油为其供电,仅依靠惯性就可以绕地球飞行,我国的“东方红一号”飞船正是利用这一原理实现了51年无坠空飞行。 对于旅行者1号这样的星际飞船来说,它的速度大于太阳系逃逸速度,它可以无动力飞出太阳系,一直在银河系中飞行。
更新时间:2024-08-27
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