地球在自转,它绕自转轴旋转一圈的时间为24小时。由于地表是固态的,地球的整体自转角速度保持一致,所以越靠近赤道的地方,自转线速度越快。赤道上的转动速度可达465米/秒,每天转动大约4万公里,这就是所谓的“坐地日行八万里”。
虽然我们无法直接感受到地球的自转,但通过一些现象,我们可以知道地球在转动。太阳的东升西落正是由于地球的自西向东自转引起的,我们把地表视作静止参照系,太阳就会看起来在天空中运动。同样地,夜空中星辰的升起和落下也是地球自转所致。
地球自转还会造成地转偏向力,这是科里奥利力沿着地表产生的分力。由于地转偏向力的存在,大气流动会受到偏转,使得一些地方会出现季风,这让古代人类的航海成为了可能。另外,热带气旋的移动也受到这个力的影响。不过,漩涡受到地转偏向力的影响可以忽略不计,排水口的初始扰动和几何结构才是真正起因。
既然地球在快速自转,那么,如果让一架直升机在空中悬停12小时,它会到地球的另一边吗?
事实上,直升机悬停在空中,下方的地表并不会转动过去。原因很简单,直升机也会被地球带着一起旋转,这是由惯性效应所引起的。
地球一直在自转,使得地球上的物体,就连空气,都会被带着高速运动。但地球非常大,而且在太空中运行十分稳定,所以很难觉察到我们一直在高速运动。我们通常会把地表视作静止参照系,导致物体看起来都是静止的。
在地表上的直升机本身随着地球转动,当它悬停在空中时,只产生了竖直方向上的力来抵抗重力,并没有消除掉水平方向上的惯性。牛顿第一运动定律表明,在没有水平力作用下,直升机就会保持最初的运动状态,跟着地球一同自转。12小时之后,直升机还是相对于地表不动。
想要抵消掉惯性,就需要让直升机在水平方向加速到地球自转的速度,并且方向与自转方向相反。如果是在赤道上,直升机的水平速度要达到465米/秒才行。在这种情况下,12小时后,直升机会飞到地球的另一边。
不过,现实中直升飞机的飞行速度并没有那么快,达不到超音速的水平。一般而言,直升机的速度都没有超过100米/秒,要在赤道上抵消惯性是不可能的,只有到自转线速度较慢的高纬度地区才行。
通过计算可知,在纬度为77.5°的地方,地球的自转线速度为100米/秒。也就是说,只有在高于77.5°的高纬度地区,直升机才有可能真正“悬停”在空中,让地球在其下方快速转动过去。
另外,我们也可以通过一个小实验证明,悬停12小时的直升机不会飞到地球另一侧。如果我们在赤道上,竖直向上跳起来,并在空中停留0.5秒的时间。如果下方的地表会转动过去,当我们落回地面的时候,距离起跳点将会达到232.5米,显然这是不可能的。
最后,再来考虑一下这种情况。假设在一列密闭的火车车厢内有一架无人机,在火车相对于地面静止时,无人机悬停在车厢内。当火车开动时,悬停在空中的无人机会被甩到车厢的尾部吗?