为什么飞机离开地球表面那么久,而不用考虑地球自转的速度,难道惯性可以一直存在吗?

流淌的抚河


正确理解惯性

  • 题主对惯性的理解可能有点不清,惯性作为一种物理现象是一直存在的,跟飞机起不起飞,地球在不在都没有关系。个人认为,惯性是一种自体相对性,是永远存在的,只有当外力介入时,物体间会以对异体的相对性来产生物理现象,诸如加速度、冲量等等,并遵循相对论观测到的规律来发展。两个相对静止的物体,可以视为同一惯性体。[头条·小宇堂-未经许可严禁转载]

  • 飞机飞行还是要考虑地球的自转速度的。只是飞机飞行的过程比地面上汽车或者火车的运动过程复杂一些。

上图:虽然装满沙的桶更难改变运动状态,但和空桶一样他们都有惯性。


我们先快速复习一下飞机飞行的原理——

飞机是靠发动机加速空气,并通过机体(主要是机翼)的倾角来获得大气的抬升力。一旦飞机飞离地面,则基本不再受到地球自转的直接影响。

上图:飞机抬升力原理


实际上飞机就是被大气支撑起来的,飞机的重力最终通过大气传导到地面。但飞机的水平推力则会转化为大气内部的动能。



再了解下大气的情况

大气是一种流体,地球的大气分很多层,涉及飞机的仅有靠地面的对流层和之上的平流层。地球自转对于大气的影响仅仅在于地球表面与大气形成的摩擦,这个摩擦力对于气流的驱动力很微弱。

大气层的运行主要受到地球表面热量的驱动在高地气压环带间形成环流,并且因与地球自转的关系而发生相对位置的改变,形成方向固定的风带,例如西风带。这些风带的风向主要是因为以地球表面为参照系来观察而产生(科里奥力效应)。

上图:科里奥力的原理示意

  • 源自地球自转

  • 使北半球的风右转

  • 使南半球的风左转

  • 在极地最强

  • 在赤道为0


除了大气流之外,飞机飞行的过程实际上也存在科里奥力的影响

  • 当飞机在大气中穿行时,除了会受到大气气流的整体动力影响,例如飞机是处于西风带当中,且向西飞行,那么会受到相对大气的加速,反之则受到相对大气的减速。

  • 而对于地面来说,当自西向东飞行时,飞机会受到地球自转的相对加速,反之则减速。

而实际上,飞机飞行的时候会受到这两个因素的共同影响。只是飞机的导航系统会根据GPS定位系统的数据来自动修正动力来平衡这些因素的影响。但飞机的飞行时间会明显受到这两个因素的影响。所以就会造成东西两地的两个方向的航班飞行时间不同的情况(当然也可能是航路设计不同造成)。


小宇堂


这根本不是惯性的问题,而是地球引力的问题。

小时候一直很奇怪,既然地球是不停自转的,那么我原地跳一下应该落在其他地方啊,但是实际上不管你跳多高还是落在原地。同样的道理飞机飞在天上也无法做到这一点,它的速度还是相对于地面静止物体的速度。这是由于我们忽略了地球外面包裹的大气层,它里面的空气也属于地球的一部分,也会受到地球引力,也随着地球在自转。

我们以为的地球是蛋黄,但是却忽略了大气层这厚厚的蛋清。飞机飞起来后虽然离开了蛋黄,但还是被蛋清包裹着,所以飞机想要飞到哪里还是要自己动手。


爱车大家说


首先空气也在随地球自转,所以飞机不管飞多久,都用不着考虑地球自转。

但即便没有空气,换成火箭在天上垂直悬停,也同样不需要考虑地球的自转。


先看看下面这张动图体会一下什么是惯性。

图示:用生命验证惯性定律

在一辆行驶的车中玩蹦蹦床,这人为啥没落到地上,还能落回行驶的车中呢?

有三个原因:

1、被弹起的人具有惯性速度,方向和大小和车保持一致

2、车是匀速运动,没有在人弹到空中后突然加速或减速

3、车的两边有挡板,挡板内的空气也在近乎用同样的速度在同向运动,这就减少了空气阻力对空中的人的影响,这人弹出挡板后,还自己用狗刨来消减部分空气阻力影响,当然狗刨的作用最低,但能提供点心理安慰。


再看一张怎么抵消惯性的动图。

图示:垂直落地的奇怪弹丸,如果你不觉得奇怪,那你对惯性还是缺乏深刻体会


要让一辆运动的车上所释放的一颗弹丸,在地面观察者眼中垂直落地,那就意味着需要抵消这颗弹丸本身所具有的向左运动的惯性,要做到这一点倒也不难,只要让弹丸用同样的速度向右运动即可,通过伽利略速度合成公式,就能让该弹丸的水平速度相对于地面的静止观察者来说,速度为零。警告,这是相对于地面静止的观察者而言是速度为零,垂直下落。但对于处在车上的观察者来说,他所看到的场景却是弹丸在向右运动,划出一道抛物线落地,当然这是车上的人如果将自己设成不动的一方,才会有这样的效果,这张动图缺乏汽车上的视角,非常可惜。


不要说飞机飞十几个小时,从地球出发的宇宙飞船也会带着它们获得的惯性在宇宙中永远穿梭下去呢。比如当我们飞往月球时,由于太空中没有空气阻力,升空后的宇宙飞船在摆脱地球的引力之后,就只需依靠惯性就能到达月球,不需要再额外耗费燃料来加速,恰恰相反,在到达月球时,不想和月球擦肩而过,要

实现绕月或登月,那就还得想办法减速呢,这要消耗部分自带的燃料,并巧妙利用月球的引力实现减速,将月球引力当阻力来用。

图示:中国嫦娥一号近月制动减速,让自己成为月球的卫星。


最后看一下,牛顿第一运动定律吧

假若施加于某物体的外力为零,则该物体的运动速度不变。

运动速度不变的意思是,静止的物体不会自己动起来,运动中的物体不会自己停下来,会继续保持匀速直线运动状态。这种维持运动状态不变的性质就被称为“惯性”。牛顿第一定律又因此被称为“惯性定律”。


裸猿的故事


为什么飞机离开地球表面那么久,而不用考虑地球自转的速度,难道惯性可以一直存在吗?


你说的没错,惯性一直存在着。飞机不论离不离开地球,离开的久不久,飞机都是以自转的地球为参照物,飞机的速度都是相对于地球自转的表面线速度而言, 这跟是不是和地球接触、是不是在大气层无关。即使象人造地球卫星离开大气层了,它的速度也是相对于地球自转的表面线速度而言。这也是航天发射为什么尽可能选择纬度低的地方的原因,因为纬度越低的地方的自转线速度越大,航天器可以借助这个速度较轻易地达到第一宇宙速度,火箭可以节省很多燃料,相当于提高了运力。

位于赤道附近的库鲁航天发射场

我们知道人造卫星的第一宇宙速度又叫环绕速度,大小是7.9千米/秒,它是相对于地球重心的,不是相对于地球表面的,这时可以把地球看成一个质点。象赤道附近的线速度达到了40000/(3600x24)=0.46千米/秒,所以在赤道附近,卫星只要相对于地球表面以7.9-0.46=7.44千米/秒的速度运动就能环绕地球。同理顺着地球自转方向发射卫星要比逆着地球自转方向发射卫星要省力。这一切都因为惯性的存在。

当然我知道题主在这里说“惯性一直存在吗”指的是飞机随地球自转的惯性趋势还在吗的意思。按照牛顿力学,惯性是物体本身的属性,物体质量是惯性的唯一量度。所以只要飞机还在,它的惯性就在。


不过马赫认为惯性离不开引力,他认为惯性不是物体的固有属性,是宇宙中其他物质作用的结果,在非惯性系中“惯性力”不是虚拟的趋势,而是一种引力的表现,是宇宙中其他物质对它的总作用。爱因斯坦吸取了他的精华,从惯性质量等于引力质量这个事实出发提出等效原理,创立了广义相对论。这个等效原理是说引力场局域等同于惯性场。太空中地球、月球、太阳和其它行星等等形成的引力场很复杂,因此人造卫星的惯性场也会很复杂,人造卫星从地球发射后,在近地轨道以内主要还是受地球引力场的作用,惯性趋势还是离开地球前受到的地球表面运动趋势。

飞机是在远低于近地轨道的大气层中飞行,它的惯性更是受地球表面的运动趋势。人造卫星离地球越远,受地球影响越小,受月球、太阳和其它行星的影响则越来越明显。
地月之间有一个引力平衡点,探月卫星沿着地月转移轨道到达这个平衡点后就只考虑月球引力而不必考虑地球的影响,它的惯性只受月球引力场影响。同理那些行星际探测器的飞行情况会更复杂。由此可见科学家计算设计航天器轨道的工作是非常复杂的,考虑的因素非常多,惯性因素更在其中,计算的式子绝非简单的几个万有引力公式,当然在目前牛顿力学足够解决这些问题,随着人类探测能力的提高,广义相对论肯定会发挥越来越重要的作用。


物原爱牛毛1


飞机离开地面后确不用“考虑”地球自转速度,因为飞机的惯性一直存在着,所以飞机起飞前后与地球保持相同的线速度,这与有没有空气没有太大关系,因为大气层也和飞机一样保持着相同的线速度!

想想汽车里的蚊子就明白了,汽车高速行驶,蚊子仍能非常平静地在汽车里飞来飞去,从汽车的后面飞到前面,飞机之于地球就像蚊子之于汽车一样!当然前提是汽车窗户是封闭的,而事实上地球大气层也可以看做是封闭的,因为地球引力作用把大气层牢牢“固定着”!

之所以很多人对于飞机飞行有可能是“悬停”的状态,有些人甚至会认为如果悬停12小时就能到达地球另外一边!

这种想法是典型的认知局限性,把飞机同地球隔离来看,如果是这样的话,你直接跳起来在空中停留1秒,你降落时地面可能飞行了上百米!

再举个例子,我们应该都放过风筝,用一根线拉着风筝跑,风筝当然会跟着我们跑。而地球对飞机的引力虽然我们不能直接看见,但实际上就相当于地球和飞机之间有一根绳子,地球拉着飞机一起自转,如此这样飞机怎么“悬停”呢?即使飞机飞离地面,这跟绳子(引力)也一直存在着!


宇宙探索


这个问题有些奇怪,飞机飞行并非不考虑地球自转的速度,而是已经叠加了地球自转速度,当然了,这是从太空视角来看的结果,如果以地表的人类的视角,因为人类与地表可以认为是相对静止,因此地球自转对飞机速度产生的影响是看不出的。

我们都知道地球自转周期是24小时,也就是每24小时,地球就会转一圈,而赤道的周长大约是4万公里,因此赤道上的线速度能达到每秒460多米,这个速度已经超过了在标准状况下空气中的音速。

但如此高的速度,为何对人类的生活没有产生严重影响呢?原因很简单,因为人类也是跟着地球一起转的。如果站在地表上观测其他人,因为他们站立在地面不移动,所以会得出他们速度为零的结论;但如果我们在太空中观测他们,他们的速度就地球自转的线速度了。

因此这样的结论同样适用于飞在天上的飞机。

如果还是不能理解,那么你可以这样想:按照题目的意思,直升机只需悬停在空中24小时,不做前后飞行动作,只需等着地球自己转,就能轻松环绕地球一周了。很显然,这是不可能的。

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赛先生科普


要理解这件事情,就需要理解相对速度,飞机停在停机场,此时飞机相对于地面是静止的,地球是转动的,地面实际上是和地球一起运动的,我们说地面是静止的,这只是我们取地面这个运动状态为静止状态,并在地面某个点作为坐标来判定运动,这是牛顿定律坐标的取法牛顿定律一般只取一个坐标,我们日常生活中习惯做用的是牛顿体系。相对论可以同时取多个坐标,当取这个坐标为静止时,其它坐标相对这个坐标是运动的,如果改取其它某个坐标是静止的,原来取的那个静止的坐标变成运动的坐座了,判定某个物体是静止的,还是运动的,取不同的坐标,就有不同的判定,相对运动是指相对于某个坐标的运动。现在题主是使用牛顿体系主提出的问题的,我就用牛顿体系的运动来解释,在牛顿体系中,习惯上是取地面为静止的,这个静止是人为确定的,是确定这个运动为静止,与地球自转没关系,由于地面是静止的,停在停机场的飞机也是静止的,飞机起飞和飞行时,发动机提供的能量只是改变了原来停在停机场静止的飞机的运动状态,由于运动状态改变了,所以飞机飞起来了。


龙一欧


答:运动是相对的,飞机以地球表面为参考系,就算离开地面也存在惯性;比如直升飞机在空中悬浮时,也是跟着地球大气层一起随地球自转的。


地球自转周期是24小时,自转角速度虽然很慢,但是赤道处的自转线速度高达460m/s;惯性是物体的固有属性,飞机无论在地面上,还是在空中飞行,惯性都是存在的。

在地面上的飞机,起飞后原来的自转速度还存在,如果飞机跨越不同的纬度,那么飞机原来的自转速度,和纬度变化后对应的地球自转速度有区别,这个差异就造成了地转偏向力。

地转偏向力属于惯性力,也是航空航天中不可忽视的力,发射出去的洲际导弹也会考虑地转偏向力的影响,也可以看成飞行器离开地球表面后,存在惯性的表现。


如果飞行器只在地面附近飞行,那么以地面为参考系,地转偏向力的作用很小,无论飞机向西飞行还是向东飞行,地球自转速度基本可以忽略掉。

如果飞行器要远离地球,比如宇宙飞船或者人造地球卫星,那么在发射时可以利用地球的自转速度,从而大大节省发射燃料,发射基地越靠近赤道,能利用的自转动能越高。


比如第一宇宙速度是7.9km/s,这也是航天器的最小发射速度,如果在赤道处进行发射,那么可以利用地球自转线速度460m/s。

对于发射到星际空间的飞行器,还可以利用地球的公转速度30km/s,飞行器只要朝着地球公转方向飞出,就能大大节省燃料,此时相对于地球的发射速度,只要达到第三宇宙速度16.7km/s即可逃离太阳引力。


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艾伯史密斯


我说几个情境,可以帮非本专业人士理解本问题。

1、一列高速(假设500公里时速)水平、直线、均匀速度的列车上,三节车箱同时作实验,假列车外设界无任何风,从相同高度(假设高度足够高,如1000米)投放完全相同的非常轻(密度很小)的鸿毛,三个车间差别是,A真空,B正常大气压但车箱封闭(空气不流动),C敞篷开放车箱。那么鸿毛运动状态是,A自由垂直下落,着地点在投放点的正下方,落地快。B慢慢下落,着地点基本在投放点正下方。C着地时间可能与B相当,但着地点就不在列车上,几乎是在投放时所对应的地面位置。

2、还是上面的列车不变,仅把鸿毛换为小蜻蜓,A没空气蜻蜓与鸿毛一样快地垂直下落无法飞动。B蜻蜓在本车厢内无论向哪个方向水平飞行,没有难易之别。C蜻蜓一放飞,列车就拜拜了(走远了)。

回到所提问题上,如果不考虑风速,飞机在空中飞行,就象B中的蜻蜓,把B车箱理解成地球就行。

惯性这个物理概念,有个不变与变的问题。没有外部力量去干预,物体就一直保持原来的速度不变,反过来只要有外部力量去干预物体,它的速度(含方向)就会变。


还是叫老李吧


飞机一旦离开地面后地球就会失去地面摩擦力,带来的就是重力和空气阻力。重力方向永远指向地心,如果飞机要停在空中就要克服重力,如果飞机要想往前飞就要有往前的推力才能往前飞,不然就会一直被地球引力拉在原地不动,如果不对飞机做工飞机是不会飞到目的地的。上飞机停在空中和你在地面上行走时受力原理一样的。


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