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假如直升機一直懸停空中,24小時後能否繞地球一圈?

2024-11-26 20:16:18

有一種有趣的觀點,按照我們的常規認知,直升機停在半空,而地球不斷自轉,似乎直升機停在原地一天便能自然環繞地球一週。然而,現實並非我們想象的那般,直升機起飛後,即使不主動移動,它仍穩穩地停留在原地,絲毫沒有環繞地球的跡象。這背後的原因是什麼呢?

首先,我們需要明白一個概念:直升機在何種狀態下才算是真正的"懸空"?可能有人會說:"直升機飛起來不就是懸空了?"然而,答案遠比這複雜。舉個例子,想象一隻蚊子在一輛勻速行駛的汽車內飛起,那麼這隻蚊子算是懸空了嗎?

雖然看上去蚊子飄浮在空中,但實際上,它仍跟隨車廂內的空氣一起移動。即使蚊子在空中停滯數年,它相對於車輛的位置也不會有任何變化。

同樣,當我們把這一現象應用到直升機與地球的關係上時,會發現直升機在空中,它與周圍的空氣都隨著地球的轉動而移動。因此,只要直升機不主動移動,它相對於地球的位置就不會改變。

科學上,我們將勻速行駛的汽車稱作一個"慣性參考系",而地面則是一個"絕對參考系"。當我們站在地面看汽車時,所有的"懸空"(相對於汽車的靜止)實際上並非真正的懸空,而是隨著汽車一起高速移動。

那麼,怎樣使直升機"真正"懸空呢?答案很簡單,如果在太空中用一個巨大的起重機將直升機吊起,使之懸浮在空中,就像下圖所示,那麼此時直升機相對於地球的軸心是靜止的。如果能做到這一點,直升機就能夠實現"懸停24小時、環繞地球一週"。

因為直升機的位置保持不變,而地球在不斷旋轉,經過24小時,直升機就相當於隨著地球自轉一圈。

我們先不考慮能否製造出這樣的巨型起重機,而只考慮直升機自身會面臨什麼。我們先來問一個問題:有沒有人敢去摸一下高速轉動的砂輪?

顯然,正常人是不會去這樣做的,因為當手與砂輪接觸時,巨大的相對運動會產生劇烈的摩擦,導致嚴重的傷害。

同樣,當我們讓直升機在地球旁"懸停"時,地球就像一個巨大的砂輪,帶動空氣與靜止的直升機產生劇烈的摩擦。這個相對運動的速度有多大呢?我們只需檢視地球赤道的線速度,即465.1m/s,換算下來大約是1700公里每小時。相比之下,最強烈的颶風風速也只有250公里每小時——這只是1700公里每小時的一個零頭。

所以,在這樣高的相對速度下,我們的直升機將承受來自大氣的高達1700公里每小時的吹拂,可能直升機在風中早已散架。

如果我們想讓直升機完成"懸停24小時、環繞地球一圈"的壯舉,該怎麼做呢?如果一定要實現"真懸停"的挑戰,我們需要讓直升機做到以下幾點:

首先,直升機起飛後需要向地球運動的反方向加速至時速1700公里每小時,以此來模擬"被吊住、相對地軸不動"的真懸停效果。而像F-35戰鬥機這樣高速的飛機,最大飛行速度大約1900公里每小時,所以我們的直升機需要加速至與F-35戰鬥機一樣快。

其次,直升機需要保持同樣的方向和速度,持續飛行24小時。在此過程中,直升機必須克服巨大的空氣阻力,這阻力正是由於直升機與空氣間的巨大相對速度造成的。當前的人類技術尚無法支援一架飛機在不空中加油的情況下高速飛行如此之久。

最後,在經過24小時的"模擬懸停"之後,我們的直升機便完成了"環繞地球一週"的壯舉。

有人可能會質疑:"什麼?我要讓直升機以1700公里每小時的速度飛?如果這樣飛,直升機不就已經可以環繞地球了嗎?這還是懸停嗎?"

問題的實質是:只有讓物體在地球上高速移動,才能相對地球中心靜止,實現所謂的"懸停";而當我們讓直升機起飛並相對地球靜止時,站在地球之外看,直升機實際上正隨著地球高速移動,並沒有"懸停",直升機也不會與地球產生相對運動。這就是"相對運動"的含義。

比如,在一輛高速行駛的汽車上向上拋球,你以為球"懸停"了?實際上並非如此。站在地面上的人看來,只有你將小球向後高速發射,這顆小球才能真正"懸停"在空中。

如何讓汽車上的小球"懸停"在空中呢?

總結一下,直升機緩慢垂直飛到空中並不是真正的懸停。只有當直升機朝某個方向高速飛行時,我們才能認為它相對地球"懸停"在空中,只有在這種情況下,才能實現"懸停24小時、環繞地球一圈"的效果。但同時,在地球表面的人看來,為了實現"真懸停",直升機要一路飛馳而去——這便是飛機正常飛行的狀態。

所以,這就是"相對運動"的原理——所有運動都取決於你選擇的參考系,特別是當我們面對"懸停"這種需要選定參考物件的運動方式時。

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