為什麼飛機離開地球表面那麼久,而不用考慮地球自轉的速度,難道慣性可以一直存在嗎?

流淌的撫河


正確理解慣性

  • 題主對慣性的理解可能有點不清,慣性作為一種物理現象是一直存在的,跟飛機起不起飛,地球在不在都沒有關係。個人認為,慣性是一種自體相對性,是永遠存在的,只有當外力介入時,物體間會以對異體的相對性來產生物理現象,諸如加速度、衝量等等,並遵循相對論觀測到的規律來發展。兩個相對靜止的物體,可以視為同一慣性體。[頭條·小宇堂-未經許可嚴禁轉載]

  • 飛機飛行還是要考慮地球的自轉速度的。只是飛機飛行的過程比地面上汽車或者火車的運動過程複雜一些。

上圖:雖然裝滿沙的桶更難改變運動狀態,但和空桶一樣他們都有慣性。


我們先快速複習一下飛機飛行的原理——

飛機是靠發動機加速空氣,並通過機體(主要是機翼)的傾角來獲得大氣的抬升力。一旦飛機飛離地面,則基本不再受到地球自轉的直接影響。

上圖:飛機抬升力原理


實際上飛機就是被大氣支撐起來的,飛機的重力最終通過大氣傳導到地面。但飛機的水平推力則會轉化為大氣內部的動能。



再瞭解下大氣的情況

大氣是一種流體,地球的大氣分很多層,涉及飛機的僅有靠地面的對流層和之上的平流層。地球自轉對於大氣的影響僅僅在於地球表面與大氣形成的摩擦,這個摩擦力對於氣流的驅動力很微弱。

大氣層的運行主要受到地球表面熱量的驅動在高地氣壓環帶間形成環流,並且因與地球自轉的關係而發生相對位置的改變,形成方向固定的風帶,例如西風帶。這些風帶的風向主要是因為以地球表面為參照系來觀察而產生(科里奧力效應)。

上圖:科里奧力的原理示意

  • 源自地球自轉

  • 使北半球的風右轉

  • 使南半球的風左轉

  • 在極地最強

  • 在赤道為0


除了大氣流之外,飛機飛行的過程實際上也存在科里奧力的影響

  • 當飛機在大氣中穿行時,除了會受到大氣氣流的整體動力影響,例如飛機是處於西風帶當中,且向西飛行,那麼會受到相對大氣的加速,反之則受到相對大氣的減速。

  • 而對於地面來說,當自西向東飛行時,飛機會受到地球自轉的相對加速,反之則減速。

而實際上,飛機飛行的時候會受到這兩個因素的共同影響。只是飛機的導航系統會根據GPS定位系統的數據來自動修正動力來平衡這些因素的影響。但飛機的飛行時間會明顯受到這兩個因素的影響。所以就會造成東西兩地的兩個方向的航班飛行時間不同的情況(當然也可能是航路設計不同造成)。


小宇堂


這根本不是慣性的問題,而是地球引力的問題。

小時候一直很奇怪,既然地球是不停自轉的,那麼我原地跳一下應該落在其他地方啊,但是實際上不管你跳多高還是落在原地。同樣的道理飛機飛在天上也無法做到這一點,它的速度還是相對於地面靜止物體的速度。這是由於我們忽略了地球外面包裹的大氣層,它裡面的空氣也屬於地球的一部分,也會受到地球引力,也隨著地球在自轉。

我們以為的地球是蛋黃,但是卻忽略了大氣層這厚厚的蛋清。飛機飛起來後雖然離開了蛋黃,但還是被蛋清包裹著,所以飛機想要飛到哪裡還是要自己動手。


愛車大家說


首先空氣也在隨地球自轉,所以飛機不管飛多久,都用不著考慮地球自轉。

但即便沒有空氣,換成火箭在天上垂直懸停,也同樣不需要考慮地球的自轉。


先看看下面這張動圖體會一下什麼是慣性。

圖示:用生命驗證慣性定律

在一輛行駛的車中玩蹦蹦床,這人為啥沒落到地上,還能落回行駛的車中呢?

有三個原因:

1、被彈起的人具有慣性速度,方向和大小和車保持一致

2、車是勻速運動,沒有在人彈到空中後突然加速或減速

3、車的兩邊有擋板,擋板內的空氣也在近乎用同樣的速度在同向運動,這就減少了空氣阻力對空中的人的影響,這人彈出擋板後,還自己用狗刨來消減部分空氣阻力影響,當然狗刨的作用最低,但能提供點心理安慰。


再看一張怎麼抵消慣性的動圖。

圖示:垂直落地的奇怪彈丸,如果你不覺得奇怪,那你對慣性還是缺乏深刻體會


要讓一輛運動的車上所釋放的一顆彈丸,在地面觀察者眼中垂直落地,那就意味著需要抵消這顆彈丸本身所具有的向左運動的慣性,要做到這一點倒也不難,只要讓彈丸用同樣的速度向右運動即可,通過伽利略速度合成公式,就能讓該彈丸的水平速度相對於地面的靜止觀察者來說,速度為零。警告,這是相對於地面靜止的觀察者而言是速度為零,垂直下落。但對於處在車上的觀察者來說,他所看到的場景卻是彈丸在向右運動,劃出一道拋物線落地,當然這是車上的人如果將自己設成不動的一方,才會有這樣的效果,這張動圖缺乏汽車上的視角,非常可惜。


不要說飛機飛十幾個小時,從地球出發的宇宙飛船也會帶著它們獲得的慣性在宇宙中永遠穿梭下去呢。比如當我們飛往月球時,由於太空中沒有空氣阻力,升空後的宇宙飛船在擺脫地球的引力之後,就只需依靠慣性就能到達月球,不需要再額外耗費燃料來加速,恰恰相反,在到達月球時,不想和月球擦肩而過,要

實現繞月或登月,那就還得想辦法減速呢,這要消耗部分自帶的燃料,並巧妙利用月球的引力實現減速,將月球引力當阻力來用。

圖示:中國嫦娥一號近月制動減速,讓自己成為月球的衛星。


最後看一下,牛頓第一運動定律吧

假若施加於某物體的外力為零,則該物體的運動速度不變。

運動速度不變的意思是,靜止的物體不會自己動起來,運動中的物體不會自己停下來,會繼續保持勻速直線運動狀態。這種維持運動狀態不變的性質就被稱為“慣性”。牛頓第一定律又因此被稱為“慣性定律”。


裸猿的故事


為什麼飛機離開地球表面那麼久,而不用考慮地球自轉的速度,難道慣性可以一直存在嗎?


你說的沒錯,慣性一直存在著。飛機不論離不離開地球,離開的久不久,飛機都是以自轉的地球為參照物,飛機的速度都是相對於地球自轉的表面線速度而言, 這跟是不是和地球接觸、是不是在大氣層無關。即使象人造地球衛星離開大氣層了,它的速度也是相對於地球自轉的表面線速度而言。這也是航天發射為什麼儘可能選擇緯度低的地方的原因,因為緯度越低的地方的自轉線速度越大,航天器可以藉助這個速度較輕易地達到第一宇宙速度,火箭可以節省很多燃料,相當於提高了運力。

位於赤道附近的庫魯航天發射場

我們知道人造衛星的第一宇宙速度又叫環繞速度,大小是7.9千米/秒,它是相對於地球重心的,不是相對於地球表面的,這時可以把地球看成一個質點。象赤道附近的線速度達到了40000/(3600x24)=0.46千米/秒,所以在赤道附近,衛星只要相對於地球表面以7.9-0.46=7.44千米/秒的速度運動就能環繞地球。同理順著地球自轉方向發射衛星要比逆著地球自轉方向發射衛星要省力。這一切都因為慣性的存在。

當然我知道題主在這裡說“慣性一直存在嗎”指的是飛機隨地球自轉的慣性趨勢還在嗎的意思。按照牛頓力學,慣性是物體本身的屬性,物體質量是慣性的唯一量度。所以只要飛機還在,它的慣性就在。


不過馬赫認為慣性離不開引力,他認為慣性不是物體的固有屬性,是宇宙中其他物質作用的結果,在非慣性系中“慣性力”不是虛擬的趨勢,而是一種引力的表現,是宇宙中其他物質對它的總作用。愛因斯坦吸取了他的精華,從慣性質量等於引力質量這個事實出發提出等效原理,創立了廣義相對論。這個等效原理是說引力場局域等同於慣性場。太空中地球、月球、太陽和其它行星等等形成的引力場很複雜,因此人造衛星的慣性場也會很複雜,人造衛星從地球發射後,在近地軌道以內主要還是受地球引力場的作用,慣性趨勢還是離開地球前受到的地球表面運動趨勢。

飛機是在遠低於近地軌道的大氣層中飛行,它的慣性更是受地球表面的運動趨勢。人造衛星離地球越遠,受地球影響越小,受月球、太陽和其它行星的影響則越來越明顯。
地月之間有一個引力平衡點,探月衛星沿著地月轉移軌道到達這個平衡點後就只考慮月球引力而不必考慮地球的影響,它的慣性只受月球引力場影響。同理那些行星際探測器的飛行情況會更復雜。由此可見科學家計算設計航天器軌道的工作是非常複雜的,考慮的因素非常多,慣性因素更在其中,計算的式子絕非簡單的幾個萬有引力公式,當然在目前牛頓力學足夠解決這些問題,隨著人類探測能力的提高,廣義相對論肯定會發揮越來越重要的作用。


物原愛牛毛1


飛機離開地面後確不用“考慮”地球自轉速度,因為飛機的慣性一直存在著,所以飛機起飛前後與地球保持相同的線速度,這與有沒有空氣沒有太大關係,因為大氣層也和飛機一樣保持著相同的線速度!

想想汽車裡的蚊子就明白了,汽車高速行駛,蚊子仍能非常平靜地在汽車裡飛來飛去,從汽車的後面飛到前面,飛機之於地球就像蚊子之於汽車一樣!當然前提是汽車窗戶是封閉的,而事實上地球大氣層也可以看做是封閉的,因為地球引力作用把大氣層牢牢“固定著”!

之所以很多人對於飛機飛行有可能是“懸停”的狀態,有些人甚至會認為如果懸停12小時就能到達地球另外一邊!

這種想法是典型的認知侷限性,把飛機同地球隔離來看,如果是這樣的話,你直接跳起來在空中停留1秒,你降落時地面可能飛行了上百米!

再舉個例子,我們應該都放過風箏,用一根線拉著風箏跑,風箏當然會跟著我們跑。而地球對飛機的引力雖然我們不能直接看見,但實際上就相當於地球和飛機之間有一根繩子,地球拉著飛機一起自轉,如此這樣飛機怎麼“懸停”呢?即使飛機飛離地面,這跟繩子(引力)也一直存在著!


宇宙探索


這個問題有些奇怪,飛機飛行並非不考慮地球自轉的速度,而是已經疊加了地球自轉速度,當然了,這是從太空視角來看的結果,如果以地表的人類的視角,因為人類與地表可以認為是相對靜止,因此地球自轉對飛機速度產生的影響是看不出的。

我們都知道地球自轉週期是24小時,也就是每24小時,地球就會轉一圈,而赤道的周長大約是4萬公里,因此赤道上的線速度能達到每秒460多米,這個速度已經超過了在標準狀況下空氣中的音速。

但如此高的速度,為何對人類的生活沒有產生嚴重影響呢?原因很簡單,因為人類也是跟著地球一起轉的。如果站在地表上觀測其他人,因為他們站立在地面不移動,所以會得出他們速度為零的結論;但如果我們在太空中觀測他們,他們的速度就地球自轉的線速度了。

因此這樣的結論同樣適用於飛在天上的飛機。

如果還是不能理解,那麼你可以這樣想:按照題目的意思,直升機只需懸停在空中24小時,不做前後飛行動作,只需等著地球自己轉,就能輕鬆環繞地球一週了。很顯然,這是不可能的。

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賽先生科普


要理解這件事情,就需要理解相對速度,飛機停在停機場,此時飛機相對於地面是靜止的,地球是轉動的,地面實際上是和地球一起運動的,我們說地面是靜止的,這只是我們取地面這個運動狀態為靜止狀態,並在地面某個點作為座標來判定運動,這是牛頓定律座標的取法牛頓定律一般只取一個座標,我們日常生活中習慣做用的是牛頓體系。相對論可以同時取多個座標,當取這個座標為靜止時,其它座標相對這個座標是運動的,如果改取其它某個座標是靜止的,原來取的那個靜止的座標變成運動的坐座了,判定某個物體是靜止的,還是運動的,取不同的座標,就有不同的判定,相對運動是指相對於某個座標的運動。現在題主是使用牛頓體系主提出的問題的,我就用牛頓體系的運動來解釋,在牛頓體系中,習慣上是取地面為靜止的,這個靜止是人為確定的,是確定這個運動為靜止,與地球自轉沒關係,由於地面是靜止的,停在停機場的飛機也是靜止的,飛機起飛和飛行時,發動機提供的能量只是改變了原來停在停機場靜止的飛機的運動狀態,由於運動狀態改變了,所以飛機飛起來了。


龍一歐


答:運動是相對的,飛機以地球表面為參考系,就算離開地面也存在慣性;比如直升飛機在空中懸浮時,也是跟著地球大氣層一起隨地球自轉的。


地球自轉週期是24小時,自轉角速度雖然很慢,但是赤道處的自轉線速度高達460m/s;慣性是物體的固有屬性,飛機無論在地面上,還是在空中飛行,慣性都是存在的。

在地面上的飛機,起飛後原來的自轉速度還存在,如果飛機跨越不同的緯度,那麼飛機原來的自轉速度,和緯度變化後對應的地球自轉速度有區別,這個差異就造成了地轉偏向力。

地轉偏向力屬於慣性力,也是航空航天中不可忽視的力,發射出去的洲際導彈也會考慮地轉偏向力的影響,也可以看成飛行器離開地球表面後,存在慣性的表現。


如果飛行器只在地面附近飛行,那麼以地面為參考系,地轉偏向力的作用很小,無論飛機向西飛行還是向東飛行,地球自轉速度基本可以忽略掉。

如果飛行器要遠離地球,比如宇宙飛船或者人造地球衛星,那麼在發射時可以利用地球的自轉速度,從而大大節省發射燃料,發射基地越靠近赤道,能利用的自轉動能越高。


比如第一宇宙速度是7.9km/s,這也是航天器的最小發射速度,如果在赤道處進行發射,那麼可以利用地球自轉線速度460m/s。

對於發射到星際空間的飛行器,還可以利用地球的公轉速度30km/s,飛行器只要朝著地球公轉方向飛出,就能大大節省燃料,此時相對於地球的發射速度,只要達到第三宇宙速度16.7km/s即可逃離太陽引力。


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艾伯史密斯


我說幾個情境,可以幫非本專業人士理解本問題。

1、一列高速(假設500公里時速)水平、直線、均勻速度的列車上,三節車箱同時作實驗,假列車外設界無任何風,從相同高度(假設高度足夠高,如1000米)投放完全相同的非常輕(密度很小)的鴻毛,三個車間差別是,A真空,B正常大氣壓但車箱封閉(空氣不流動),C敞篷開放車箱。那麼鴻毛運動狀態是,A自由垂直下落,著地點在投放點的正下方,落地快。B慢慢下落,著地點基本在投放點正下方。C著地時間可能與B相當,但著地點就不在列車上,幾乎是在投放時所對應的地面位置。

2、還是上面的列車不變,僅把鴻毛換為小蜻蜓,A沒空氣蜻蜓與鴻毛一樣快地垂直下落無法飛動。B蜻蜓在本車廂內無論向哪個方向水平飛行,沒有難易之別。C蜻蜓一放飛,列車就拜拜了(走遠了)。

回到所提問題上,如果不考慮風速,飛機在空中飛行,就象B中的蜻蜓,把B車箱理解成地球就行。

慣性這個物理概念,有個不變與變的問題。沒有外部力量去幹預,物體就一直保持原來的速度不變,反過來只要有外部力量去幹預物體,它的速度(含方向)就會變。


還是叫老李吧


飛機一旦離開地面後地球就會失去地面摩擦力,帶來的就是重力和空氣阻力。重力方向永遠指向地心,如果飛機要停在空中就要克服重力,如果飛機要想往前飛就要有往前的推力才能往前飛,不然就會一直被地球引力拉在原地不動,如果不對飛機做工飛機是不會飛到目的地的。上飛機停在空中和你在地面上行走時受力原理一樣的。


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