華鮮生
地球自轉一次要24小時,如果我們離開地面100米不動,12小時後會不會到地球的另一邊呢?
這是一個非常經典的問題,它的提出,致使「日心說」被「地心說」壓制了近兩千年;甚至,這個問題還關係到整個物理學的基礎。
因此,宇宙君覺得,有必要來詳細講解一下。
01
原始“日心說”的困境
我們都知道,早在古希臘時代,著名哲學家、數學家托勒密就提出了「地心宇宙說」——地球是宇宙的中心,日月星辰都繞地球運行——這種觀念統治了西方近兩千年。
但是,很多人可能不知道,也是在古希臘,「日心說」的觀念也已經出現。
阿里斯塔克斯(Aristarchus, 約公元前 310年- 約公元前230年),是人類歷史上有記載的首位提倡「日心說」的天文學者,是古希臘時期、也是人類歷史上有記載的最偉大的天文學家,數學家。
- 太陽與固定的恆星不會運動;
- 地球繞太陽運行;
- 地球的軌道為圓形;
- 太陽位於該圓的中心;
- 固定的恆星距離太陽與地球極為遙遠。
這和後來的日心說基本一致。
但是,「日心說」在與「地心說」的較量中處於絕對的下風,阿里斯塔克斯的發現也被托勒密和亞里士多德的光芒所掩蓋,其中最主要的原因就是因為一個問題——一個和題主所描述的這個問題類似的問題。
那就是:
如果地球飛速繞著太陽運行,為何我們人類和地球上的所有其他物體,都不會掉下去呢?
認為“人類會從高速運轉的地球上掉下去”,和認為“地球自轉半周,飄在空中的人會到達地球另一邊”,其實是同一種看法。
這個問題只要沒有得到解決,「日心說」就永遠不能翻身。
02
伽利略的大船
第一次從根本上解決這個問題的人,是我們可愛可敬的伽利略。
愛因斯坦曾這樣盛讚伽利略,稱其為近代科學之父:
“純粹的邏輯思維不能使我們得到有關經驗世界的任何知識,所有真實的知識都是從經驗開始,有歸結於經驗……正是由於伽利略看清了這一點,特別是因為他將此引入科學界,他成了近代物理學之父——實際上,也是整個近代科學之父。”
在伽利略著名作品,1632年出版的《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》(以下簡稱《對話》)一書中,他對這個問題做了詳細的探討。
《對話》以一種極為有趣和通俗的方式展現——書中採用對話的形式,參與對話的是支持他的兩個朋友,沙格列陀和
薩爾維蒂,與一個亞里士多德觀點支持者辛普利邱。對話一共分為4天,伽利略想要用這種對話形式使他的著作能擁有廣大的讀者,從而能有效地否定掉亞里士多德的力學和宇宙論。
關於地動的討論,是薩爾維蒂主要來參與辯論的,他用一艘大船來做比喻,所以,這個例子又被稱為「薩爾維蒂的大船」。請注意,這是人類科學史上最著名的一艘船了!
慣性的故事——薩爾維蒂的大船
宇宙君給大家總結整理了薩爾維蒂的說法:
當把你和一些朋友關在一條大船甲板下的主艙裡,讓你們帶著幾隻蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲,艙內放一隻大水碗,其中有幾條魚;然後,掛上一個水瓶,讓水一滴一滴地滴到下面的一個寬口罐子裡。注意我們研究的對象:小飛蟲(蒼蠅、蝴蝶等),魚,你和你的朋友,水滴。船停著不動時,你留神觀察:- 小蟲都以等速向艙內各方向飛行;
- 魚向各個方向隨便遊動,水滴滴進下面的罐中;
- 你把任何東西扔給你的朋友時,只要距離相等,向這一方向不必比另一方向用更多的力。
- 你雙腳齊跳,無論向哪個方向跳過的距離都相等。
- 水滴毫無疑問會滴到下方的罐子裡。
- 蝴蝶和蒼蠅繼續隨便地到處飛行。它們也決不會向船尾集中,並不因為它們可能長時間留在空中,脫離開了船的運動,為趕上船的運動而顯出累的樣子。
- 魚在水中游向水碗前部所用的力並不比遊向水碗後部來得大,它們一樣悠閒地遊向放在水碗邊緣任何地方的食餌。
- 你把不論什麼東西扔給你的同伴時,不論他是在船頭還是在船尾,只要你自己站在對面,你也並不需要用更多的力。
- 即使船運動得相當快, 在跳躍時,你將和以前一樣,在船底板上跳過相同的距離,你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠。雖然你跳到空中時,腳下的船底板向著你跳的相反方向移動。
- 水滴將象先前一樣,滴進下面的罐子,一滴也不會滴向船尾。雖然水滴在空中時,船已行駛了許多柞。
03
伽利略相對性原則
薩爾維蒂的這段論述中包含著一個物理學中非常重要的真理:
從船中發生的任何一種現象,你是無法判斷船究竟是在運動還是在停著不動。
現在我們稱這個原理為伽利略相對性原理:
在任何慣性系中,經典力學定律的數學形式不變,換言之,所有慣性系都是等價(平權)的。
什麼是慣性系?
簡單來說,就是做勻速直線運動的參考系。
地球表面雖然不是嚴格的慣性系(因為地球表面其實在做圓周運動,而非勻速直線運動),但是,可以勉強看做慣性系——原因是:1.地球自轉的加速度非常小;2.地球很大,而我們所研究的地球上的物體相對就很小。
此時,讓我們來公佈問題的答案吧:
地球自轉一次要24小時,如果我們離開地面100米不動,12小時後不會到達地球的另一邊,而是繼續漂浮在原來升起的那個位置上方。
具體解釋:
物體在慣性系中的表現和在靜止參考系下的表現是相同的,慣性系平權的原則讓
你無法通過任何物理實驗和測量,分辨出參考系到底有沒有動。所以,你永遠漂浮在你原來升起的那個位置的上方,而不會12小時後到達地球的另一面。因為,如果你不這樣,比如漂浮到了另個一位置,那麼就相當於,你分辨出了「勻速運動的地球」和「靜止的地球」的區別,這與慣性系平權的原則不符。
可能這個解釋還是有點繞,那麼,讓我們在通俗一點:
通俗一點解釋:
如果我們把地球看做慣性參考系,那麼根據伽利略變換,漂浮在地面上方100米的你,相對於地面的速度依然是0,所以位移和地面相同——也就是,你和地面相對靜止。所以,你永遠不會離開原來升起的那個位置。
04
總結
伽利略相對性原理不僅從根本上否定了地靜派對地動說的非難,而且也否定了絕對空間觀念(至少在慣性運動範圍內)。
甚至,顛覆經典力學的狹義相對,也以「伽利略相對性原理」作為兩條基本原理之一。而另個一基本原理,則是大名鼎鼎的「光速不變原理」,這個應該很多人都知道。
當然,這裡再提一下:
地球表面,其實並不是真正的慣性系:所以,我們可以使用「傅科擺」,輕鬆證明地球在轉動!
當然,這就是另個一話題了,有興趣的話,請關注我查看其他內容吧~
我是宇宙物理學,這就是我的回答!
宇宙物理學
地理有意思
這個問題多年前早就得出了結論!別說是100米12個小時,就是在空中500米待上一個月,落下來還是在原地!!!因為自球自轉雖日行八萬裡(167O公里/小時),但只要沒有達到脫離地球引力的高度,則地球上天地之間所有的物體,都會隨著地球而自轉!!!正是因為這個道理,民航機起飛後才能準時到達飛行的目的地!如果不是這樣,飛機起飛後,根本到不了我們要去的地方,只能漂泊他鄉!所以說,地球自轉,在它吸引力範圍之內的所有物體(物質),也都跟著地球在飛快地自轉!只不過因地球太大,你感覺不到而已。
張永科38
在這我反問下提問者,如果你在飛馳的火車上跳起來,當你落地的時候會不會落到地面上?這個是牛頓第一定律,也就是慣性定律,火車在飛馳,你也會跟著飛馳,落下來時,還在原地,所以地球上跳起來是一樣的。像你說的這樣如果飛機和地球自轉一個方向飛行那就飛不到目的地了。
指引者2019
車裡有個蒼蠅,好討厭,車子開得再快,它依然在車內忽隱忽現地跳著舞,完全沒有因跟不上車速貼到後玻璃上的趨勢。好吧,打開天窗,它一不小心飛上去了,趕緊油門加速一溜煙地咱跑了,蒼老師慢慢地獨舞去吧您吶。回頭想想,最直觀的應該是車外空氣流動把它吹走了。
假設沒有空氣絕對真空,蒼蠅自重是否足以維持和車輛速度一致的慣性呢?假設是人呢,站在車頂上跳一下,車子飛馳狀態,誰能確保人掉下來還是車頂?以此類推,人跳起來離開地表自然落地,誰能證明落地還是地表原位?地球的自轉必然導致物體移位,只不過難以察覺,如果確實是原位,只能說明在落體過程中有意地跳回原點,產生了偏差運動。
monsiwakul
相信很多朋友試過開車的時候,發現車裡進了只會飛的小動物!為什麼在跑高速那麼快的速度了,一點也不影響這隻小動物在車裡飛?這個說明了,車裡的所有東西事物都被封閉起來了,整個密封空間是同步的!
所以說明,地球被大氣層包著,屬密封著空間,整個空間所有事物會被同步進行,除非有個別事物脫離了這個空間。可以想想,人造衛星不就是脫離了地球這個空間嗎?所以衛星在一定時間內會到達原點,就會以地球為參照物走了一圈!
以村長為名
地球自轉一次要24小時,如果我們離開地面100米不動,12小時以後,不會到達地球的另一邊。不可能因為我們離開地面100米的高度不動,隨著地球自轉24小時,12小時後就能到達地球的另一邊。
地球的自轉與離地面的高度成正比,沒有、不存在反比。換句話說,地球在宇宙銀河系中,地球的自轉和公轉沒有高度,不存在高度的自然科學概念和說法。與宇宙或銀河系中的各種星球之間,是有形、無形(各種暗物質)的平衡引力,平行運轉。
地球的自轉與公轉:在宇宙銀河系中,不存在高度的問題、科學概念,地球自轉與地面高度成正比,沒有反比,我們離開地面100米不動,12小時以後怎麼可能到達地球的另一邊呢?沒有高度的概念,就不存時空觀念的說法。表面、表象上12小時,地球自轉成正反兩面的另一邊、另一半;而人在地球上、地面上、高空上、實際上、實質上、本質上仍然原地不動、未動,沒有到達地球的另一邊,只不過是地球自然科學自轉而已,與我們離開地面100米的高度不動無關,更談不上12小時以後到達地球的另一邊的說法和觀念…………
袁聰
只要身處地球引力場中,就如同遊在魚缸中的魚,哪怕魚靜浮於水中,魚缸移動,魚也會隨魚缸一起移動,而不會撞到魚缸邊上。但由於受相對速度的影響,還是會產生一些位移的。最明顯的例子就是洋流的形成,由於水是流體,受地球自轉影響,水與地殼運動速度會產生差異,從而形成洋流,而洋流上空的空氣也會跟著洋流產生氣旋,並最終成為颱風。
太極寄暢
用橡皮筋綁一小球甩起來,小球會做圓周運動。這是因有橡皮筋給了小球一個向心力。無論橡皮筋被拉得多長,它一直能給小球這個力,小球就能一直做圓周運動。
把橡皮筋換成看不見的萬有引力,把小球換成人。不就同樣的道理嗎?無論人蹦得多高,一直有萬有引力作為向心力牽著他的,人當然就會一直保持圓周運動。
花生噸
看了這個問題的人都會有這個好奇心,地球外是大氣層,地救都是被大氣圍著,如果沒有大氣層阻擋太陽紫外線地球水份就會跑光,簡單比個例子,一個蒼蠅放在充大的氣球裡面,這氣球形同地球,你把氣球怎樣罷弄裡面蒼蠅是沒感覺的,蒼蠅怎樣飛都是飛不出氣球外面,假如蒼蠅在氣球裡空間中飛停不動了,拿著氣球走十萬八千里蒼蠅也一樣停留在氣球空間中,這是星系宇宙空間的自然規律,