家人们,咱今天来开个脑洞!如果咱在地面上方 100 米悬空不动,就这么静静地待着,12 小时之后,会不会就神奇地到达地球的另一边了呢?

乍一听,好像有点道理哦。地球一直在自转,我们腾空了,不就可以摆脱地面的束缚,等着地球转半圈,把我们送到地球另一边了吗?要是真这么简单,那环游世界可就太容易啦,坐个热气球飘在空中,睡一觉就到地球另一边了,想想都觉得刺激!但事情真有这么简单吗?



地球自转,就是地球绕自转轴自西向东的转动 ,从北极点上空看呈逆时针旋转,从南极点上空看呈顺时针旋转,像一个不知疲倦的舞者,永不停歇。地球自转的平均角速度为 4.167×10⁻³ 度 / 秒,在地球赤道上的自转线速度更是达到了 465 米 / 秒,是不是超级快?而地球自转一周耗时 23 小时 56 分 4 秒,我们通常说的一天 24 小时,其实是地球自转加上公转的时间 。

地球自转对我们的生活有着深远的影响。它带来了昼夜交替,让我们有了白天的忙碌和夜晚的休憩,就像大自然设定的作息时间表。也产生了地方时,不同经度地区的时间不同,当我们这边是清晨,地球另一端可能已是夜幕降临。沿地表水平运动的物体还会发生偏转,在北半球水平物体偏向右方,南半球偏向左方,这一现象在大气环流、洋流等方面都有着重要的体现 。

再来了解以下惯性作用。



相信大家在生活中都有过这样的体验:乘坐汽车时,如果汽车突然刹车,我们的身体会不由自主地向前倾;而当汽车突然启动,我们又会往后仰。这就是惯性在起作用,惯性是物体保持原有运动状态的性质,是物体的固有属性 。

当我们在地面上方 100 米悬空不动时,其实就像在一辆高速行驶的汽车里跳起来一样。



虽然汽车在向前跑,但我们跳起来后,依然会落在原来的位置,这是因为我们具有和汽车相同的速度,在跳起的过程中,水平方向上没有外力改变我们的运动状态,所以我们会随着汽车一起前进 。同样的道理,我们原本和地球一起在转动,当我们悬空时,由于惯性,我们依然会保持和地球相同的转动速度,在水平方向上和地球相对静止,并不会因为地球的自转而到达地球的另一边 。



上面我们从惯性的角度做了解释,不过,如果上升到更深层次,就会发现这个问题本身隐藏着一个重要的物理学原理 —— 伽利略相对性原理,这可是爱因斯坦狭义相对论的基本前提之一 。

让我们回到 17 世纪,当时天文学界正激烈争论着地心说和日心说 。支持哥白尼学说的人主张地球在运动,而维护亚里士多德 - 托勒密体系的人则坚持地静说。地静派提出了一个看似难以反驳的理由:如果地球在高速运动,为什么地面上的人一点都感觉不出来呢?这个问题在当时引起了轩然大波,也成为了科学发展道路上的一个重要挑战 。



1632 年,伟大的物理学家伽利略在他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中,通过一个巧妙的例子 ——“萨尔维蒂的大船”,对这个问题做出了精彩的回答 。



想象一下,你和一些朋友被关在一条大船甲板下的主舱里,舱内有几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫,还有一只大水碗,里面游着几条鱼,头顶挂着一个水瓶,水一滴一滴地滴到下面的宽口罐子里 。当船停着不动时,你会看到小虫以等速向舱内各方向飞行,鱼向各个方向随意游动,水滴滴进罐子里,你把东西扔给朋友,向各个方向用力都一样,双脚齐跳,向各个方向跳过的距离也相等 。



接下来,当船以任何速度匀速前进,且不忽左忽右摆动时,你再仔细观察,会惊奇地发现,所有这些现象丝毫没有变化 。你无法从其中任何一个现象来判断船究竟是在运动还是停着不动 。即使船运动得相当快,你在跳跃时,依然会和以前一样,在船底板上跳过相同的距离,跳向船尾和跳向船头的距离没有差别 。你扔东西给同伴,也不需要用更多的力 。水滴依然会滴进下面的罐子,不会滴向船尾 。鱼在水中游动也和之前一样悠闲,苍蝇和蝴蝶继续随意地到处飞行,不会向船尾集中 。

从这个例子中,我们可以总结出伽利略相对性原理:在任何惯性系中,经典力学定律的数学形式不变,所有惯性系都是等价(平权)的 。这里的惯性系,简单来说,就是做匀速直线运动的参考系 。虽然地球表面实际上在做圆周运动,不是严格意义上的惯性系,但由于地球自转的加速度非常小,而且地球很大,我们研究的地球上的物体相对地球来说很小,所以在一定程度上可以勉强把地球表面看做惯性系 。

根据伽利略相对性原理,我们就能很好地解释为什么在地面上方 100 米悬空不动,12 小时后不会到达地球另一边了 。因为地球可以近似看作惯性参考系,当我们悬空时,我们和地球处于同一个惯性系中,相对于地面的速度依然是 0 。在没有其他外力作用的情况下,我们的位移和地面相同,也就是和地面相对静止 。如果我们会到达地球另一边,那就相当于我们分辨出了 “匀速运动的地球” 和 “静止的地球” 的区别,这与惯性系平权的原则是不符的 。

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