有一句古老的哲言說:“移動的並非移動,靜止的並非靜止。”這似乎正是對直升機與地球關係的絕妙註解。設想一下,直升機懸停在空中,地球則一刻不停地自轉。那麼,按此邏輯,直升機在空中停滯一日,便可環遊世界一週。
但現實情況似乎並非如此。直升機一旦升空,除非它有意向前後左右移動,否則它便會穩穩地停在原地,絲毫沒有開始環遊世界的跡象。這是為何呢?
首先,讓我們來探討一下,直升機何時才算真正的“懸空”。有人可能會說,當直升機升空時,自然就算是懸空了,這難道不是明擺著的嗎?然而,答案遠比這複雜。
想象一下,在高速公路上勻速行駛的一輛車,車內有一隻蚊子懸停在空中。此刻,這隻蚊子算是懸空了嗎?
儘管蚊子看似已經懸停在空中,但實際上,它仍與車內的空氣一同以車輛的速度在移動。在這種狀態下,哪怕蚊子在空中停滯千年,它相對於車輛的位置也不會發生絲毫改變。
同樣的原理也可以應用到直升機與地球的關係上:當直升機升空後,它和周圍的空氣其實都是隨著整個地球一同轉動的,因此,直升機如果不主動移動,它相對於地球的位置就不會改變。
從科學的角度解釋,勻速行駛的車輛此時處於一個“慣性參考系”中,相對於地面這個“絕對參考系”在移動。當我們站在地面上觀察這輛汽車時,任何的“懸空”(即相對於汽車的懸停)實際上並不是真正的懸空,而是與車輛一起高速移動。
那麼,怎樣才能讓直升機“真正”地懸空呢?
答案其實很簡單。如果在宇宙中放置一個巨大的起重機,將直升機吊起,懸在空中,就像下圖所示。此時,地球自顧自地轉動,而直升機則保持相對於地球軸心的位置不變。如果能做到這一點,那麼直升機確實可以實現“懸停24小時、環遊世界一週”。
因為直升機實際上一直停留在同一個位置,而地球卻在不斷旋轉,按照常理,直升機保持這種狀態24小時後,就相當於相對於地球繞行一圈。
我們暫且不考慮是否能製造出如此龐大的起重機,只考慮直升機本身會面臨什麼情況。
我先提一個問題:有人敢徒手觸碰下面這個砂輪嗎?可能只有瘋子才敢這麼做。大家之所以都知道這種行為等同於自殺,是因為你的手是靜止的,而砂輪在高速旋轉,兩者間的相對運動會產生巨大的摩擦力,足以將你的手磨得血肉模糊。
同理,當我們試圖將直升機懸吊起來時,地球就如同一個巨大的砂輪,帶動著周圍的空氣,與靜止的直升機產生劇烈的摩擦。
那麼,這種相對運動的速度有多大呢?我們只需檢視地球赤道上的線速度便可知曉,這個相對運動速度為465.1米/秒,轉換成時速約為1700公里。而一場最劇烈的颶風風速才多少呢?答案是250公里每小時——這個速度只是1700公里每小時的一個零頭而已。
因此,可憐的直升機在如此高速的相對運動下,將會受到來自地球大氣的高達1700公里每小時的吹拂,最終可能在風中散架。
如果我們非要實現直升機“懸停24小時、環遊世界一圈”的壯舉,應該怎麼辦呢?
如果我們非要實現真正的“懸停24小時”挑戰,我們需要讓直升機做到以下幾點:
首先,直升機起飛後,需要朝著地球運動的反方向加速,直至達到時速1700公里每小時,以此模擬出“直升機被吊起、相對地軸不動”的真正懸停效果。而著名的F-35戰鬥機,其最大飛行速度約為1900公里每小時,因此我們的直升機需要加速至與F-35戰鬥機相同速度。
我們的直升機需要飛得跟F-35戰鬥機一樣快
然後,直升機需保持相同的方向和速度,連續飛行24小時。在此過程中,直升機需克服巨大的空氣阻力,而這種阻力正是由於直升機與空氣間巨大的相對速度造成的。目前尚無人類技術能讓一架飛機在不進行空中加油的情況下,以如此高速持續飛行這麼長時間。
最後,在經過24小時的“模擬懸停”後,我們的直升機就完成了“環遊世界一週”的壯舉。
有人可能會說:什麼?我要讓直升機以1700公里每小時的速度往一個方向飛?如果直升機這樣飛,難道不是本來就可以環遊世界一週嗎?那這還算是懸停嗎?
所以問題的實質是:只有讓物體在地球上高速運動起來,才能夠相對地球的中心保持靜止,實現所謂的“懸停”;而當我們讓直升機起飛、相對地球靜止時,從地球之外看,直升機其實是在跟隨地球高速運動,並沒有“懸停”,直升機也不會與地球之間產生相對運動。這就是“相對運動”的含義。
舉個例子,如下圖所示,你以為在高速行駛的汽車上向上丟擲一個球就是讓球“懸停”了?其實不然,從站在地面上的人看來,只有你將小球向後高速發射,才能使這顆小球真正地“懸停”在空中。
如何讓汽車上的小球“懸停”在空中?
總結來說
直升機慢慢悠悠垂直飛到空中,並非真正的懸停。只有當直升機朝某個方向高速飛行時,我們才能認為它是相對地球“懸停”在空中,只有在這個時候,才能實現“懸停24小時、環遊世界一週”的效果。然而,從地球表面的人看來,為了實現“真懸停”,直升機需要一路飛馳而去——這其實就是飛機的正常飛行狀態。
因此,“相對運動”的真諦在於——一切運動都取決於你的參考系,尤其在我們面對“懸停”這種似乎天生就需要選取參考物件的運動方式時。