遥控飞机在秤上重25克。如果飞机轻轻起飞,体重秤上的重量会不会发生变化?
这道题只涉及一个科学原理,而且很简单。这个原理相信大家一定都明白了,但是对于这个问题却未必能说出答案,因为这里包含的物理原理并不是很直观。首先要明白,小型直升机的起飞过程是很慢的,这里说的起飞距离也很小。
要记住的要点是:
小型直升机起飞后,飞机的重量由空气支撑。
反过来,空气由秤的平坦表面支撑。
所以本题只涉及到作用力和反作用力的问题。从这个角度来看,平台秤的读数不会发生变化。但如果飞机起飞速度过快,最终距离过高,秤的重量会因为一开始的加速度而略微增加,然后一些空气会从秤面吹到地面,读数接下来比例会下降。问题就这么简单。
02接下来我们将问题展开,我们平时在天上飞的飞机呢?
这道题有点复杂。
所有受地球引力影响的物体都在不断地被拉向地球中心。这包括地壳、上面的任何飞机、我、你、大气中的所有空气、月球、国际空间站。地球上的一切都简单地遵循一个分层原则,从中心的致密物质到大气边缘最轻的氢元素,最重的元素支撑着最轻的元素,地核支撑着地幔,地幔支撑着地壳,地壳支撑着海洋,你、我、大气层和轨道力学支撑着月球和国际空间站等等。
一旦飞机起飞,无论飞多高,它的重量都不会消失,只是换了一个支撑体,不再由地面支撑,飞机只是把重量转移到大气层本身,而大气层本身只是变得稍微重一点(顺便说一句,地球的大气层本身在重力作用下非常重,就像你用嘴从瓶子里吸空气一样,大气压力可以压碎瓶子,但由于我们也充满压力,所以我们不会注意到大气压力的存在)。地球表面仍然要承受飞机的重量,大气层现在成为传递力量的“中间人”。
为了证明这一点,让我们做一个小实验。也可以说是一个思想实验,但是我们可以在实验室环境中复制这个实验。
首先,我们拿一个密封的大罐子,在里面放一只苍蝇。然后密封罐子,当苍蝇不飞来飞去时,轻轻地将罐子放在天平上(一个非常敏感的天平,因为我们的对象是苍蝇)。当苍蝇躺在罐子底部时,我们记下罐子的重量(注意它说的是重量而不是“质量”)。接下来我们让苍蝇起飞...,如果秤足够灵敏,秤会有轻微的暂时增加,然后重量应该稳定在与苍蝇在底部的重量大致相同。是什么原因?罐子里的一切都被地球质量以相同大小的引力吸引,包括里面的空气,飞的苍蝇或不飞的苍蝇。重量的短暂增加是因为苍蝇需要向上加速才能起飞,这会产生一点向下的加速度,从而增加重量。当苍蝇只是绕圈飞行时,力就会恢复平衡。
如果我们用“巨大”的坦克和四旋翼无人机做同样的实验,结果应该是完全一样的。
如果把坦克放大一点,像一个城市那么大的坦克,然后让一架真飞机顺利起飞飞行,结果还是一样。只是飞机起飞时的加速度要高很多。
如果一架飞机在很低的高度从头顶飞过,我们可以感觉到它的运动。然而,随着飞机爬升得越来越高,飞机对空气的向下推力(称为下冲)也越来越大,即使是最灵敏的仪器也无法检测到有飞机在你的正上方飞行。经过。
风洞中空气向下运动的演示。
所以让事情变得更复杂,首先,随着飞机的爬升,它实际上变轻了。由于重力随着距质心距离的增加而减小,因此客机在巡航高度时的重量应减轻0.2%。此外,向东飞行可以使飞机显得更轻。这是因为向东飞行的飞机轨道速度会更快,影响虽小但可以衡量。当然,如果飞机是沿赤道向西飞行,其实会让飞机感觉稍微重一些。
但是最后无论是局部还是真飞机,所有的重量都得落到地上。
所以问题很简单,不需要空气动力学的理由。这是因为不管飞机怎么飞,它的重力总要被抵消,而这个抵消力就是空气的浮力,而空气是靠地面支撑的,或者是题中提到的秤,就这么简单。