直升机悬停12小时,是不是可以可以到达地球的另一面?

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太空僧的回答

如果你只是嘲笑这个问题,那么你肯定把这个问题想简单了。

也许你会说,不能够吧,这个知识点不就是“直升机会相对地球保持静止”,所以会悬停在原地上空不动,而不会到地球另一面嘛,有什么难的?

科里奥利力

首先,我们得先假设直升机在赤道上空。因为如果位于非赤道位置(当然两极的话,这道题就没什么意思了),不论是北纬还是南纬,都会受到科里奥利效应的影响。

初中地理老师教过我们,北半球的飞机会向右偏,南半球的飞机会向左偏。关于科里奥利效应我就不多说了,有一个有意思的网站可以模拟飞机飞行时受到的科氏力影响的轨迹[1],可以玩一玩。

直升机悬停12小时,是不是可以可以到达地球的另一面?

对于悬停在原地不动的直升机来说,随着地球的自转,科氏力会让它有一个向赤道偏移的趋势。

所以,只要不在赤道,悬停12小时的直升机虽然不会到达地球的另一面,但会向赤道移动。

大气层

现在我们假设直升机就是在赤道上空,那答案是什么呢?

你会想,这时候,大气与地球同步运动,所以直升机总该会悬停在原地了吧。

可是,为什么你会觉得不同高度的大气层一定会跟着地球一起动呢?

或者说,你是否想过,直升机为了保证“悬停在原地”,就得保持与地面角速度相同,而由于有“地面效应”,直升机必定会飞离地面一定高度,也就是说,它飞得越高,线速度就得越大才行。

那么,问题就变成了:为什么大气层会和地球一起转?

我们假设,在另一个平行宇宙中的地球,它没有大气层,突然有一天,大气层凭空被刘谦刷地一下变出来了。一开始,包裹住地球的大气层是静止的,地球转它不转,但由于地球表面比较粗糙,会不可避免地与之产生磨擦,一点一点地就带着大气也转了起来。

首先是离地1~2公里的底层大气(行星边界层)因磨擦而加速。我们知道,大气是流动性很强的气体,随高度的增加,摩擦力的作用肯定会减弱,2公里以上的大气受到大地的摩擦力作用小到可以忽略,因此被称为自由大气层。

但此时,在气层与气层之间,由于大家速度不同,还是会产生相互摩擦而有减弱相对运动的趋势。最终由于大气表现出的黏性,导致高层大气层也会随着地球一起旋转了,从而让大气中的直升机也有了随地球一同旋转的趋势。

或者从另一个角度来看,运动是不需要力来维持的,没有力,运动的物体反而会一直运动下去。高层大气并不需要力来维持运动,只需要地球的重力来改变其方向即可。这样,便让不同层的大气都保持相近的速度绕地球转圈。

这块就不细讲了,我3年前写过一篇回答,可以出门右转去看一眼:

地球上空的东西会随着地球的自转而移动吗?

所以,不论直升机在大气的哪个高度,那里的大气大体上都会和地表相近的角速度旋转,于是便带着直升机一起旋转,直升机也就能够悬停在某地上空了。假如某颗星球的大气黏度不够,那么直升机还真不一定能呆在原地。

虽然大气层整体是和地球一同旋转的,但局部来看还是会有快有慢。

比如一种被称为“极锋喷流(Jet_stream)”的现象。如果你去查百度百科,它会这么写:

极锋喷流是第二次世界大战时,美国B29轰炸机在日本本土进行轰炸时无意中发现的。当时自基地起飞朝向日本群岛西飞的B29的机员曾发觉某种奇妙的现象,即在引擎正常运作而没有机械故障的征兆下,仪器的指针却显示飞机的移动速度很慢,经研究后才发现,在高空中以数百公里时速由西向东吹的喷流会大大减低飞机前进的速度。

实际上,极锋喷流早在一百年前的19世纪就已经被美国人Elias Loomis预言,并被1883年喀拉喀托火山爆发后的烟尘证实,而日本人也在20世纪20年代就在富士山附近探测到了。

这种气流就像腰带一样,围在地球身上。它是太阳辐射加热大气、加上科里奥利力的共同作用产生的。

因此,当直升机悬停时,如果位于气流上,还是会被带跑,向东一点点移动。

综上,如果是小学生提出题主这个问题,你可以笑着和他说:直升机并不是自由的,它是由和地球一起转的大气支撑的,从这个意义上说,直升机与地球是一体的。

但如果是一名高中生提出这个问题,就值得好好分析一下了这里面的知识点了。

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