飛機往返有時間差,什麼原因造成的

2021-03-10 17:15:05 字數 2948 閱讀 4171

1樓:妙酒

地球自轉

除此之外,物理因素是飛機往返兩地時間不同的主要原因。注意,有文章分析指出物理因素不包括地球自轉,對於這個問題的分析會稍微複雜。首先,很多人想當然的認為飛機上天后就跟地面脫離了,順著地球自轉方向飛行相對地面的速度就會減慢,逆著地球自轉方向飛行就會加快……這顯然是不對的。

簡單來講,地球自轉產生了兩個效應:一是飛機在起飛前相對於地心就已經具有跟地表一樣的速度;二是連帶著地表的大氣也跟著一起向自轉方向運動(否則我們站在地面上就會時刻感受到地表相對於地心速度的強風)。有了這兩個效應,飛機起飛和降落都不需要考慮地球自轉帶來的位移方面的影響,就好象我們在一條船上無論向東南西北哪個方向跳躍,落地的距離都是一樣的,或者在勻速行駛的汽車上不會覺得向哪個方向行走更省力/費力。

然而,這一分析只對同一緯度的飛行有效,當飛機橫跨的緯度範圍較大時,就必須要考慮緯度對大氣線速度產生的影響。假設飛機飛行時全程處於理想的無風狀態,飛機從赤道飛往南/北極,雖然周圍大氣的角速度不變(角速度等同於地球自轉的角速度),但線速度逐漸減小(線速度等於角速度乘以地表到地軸的距離),到達極點位置時趨近於0。以飛機為參考系,將會感受到周圍原本靜止的大氣東西方向的速度開始逐漸增大。

若飛機想時刻保持南北航向,推進器需要額外做功來抵消大氣的這部分衝擊力。

若飛機航線相對地表還有經度方向的位移(即往返兩地不處於同一經度),大氣會對飛機產生阻力或推力:當飛機由低緯度向高緯度飛行時,大氣相對機身向西的流速(不是風)逐漸增大,有助於減少自東向西的航行時間,增加自西向東的航行時間;當飛機由高緯度向低緯度飛行時,大氣相對機身向東的流速(不是風)逐漸增大,有助於減少自西向東的航行時間,增加自東向西的航行時間。

風速

風是影響飛機往返時間不同的主要原因,這裡的風區別於上文提到的大氣隨地表相對地心的運動。風可以看作是區域性地區的空氣相對地表作出的運動,當然會對同樣相對地表飛行的飛機產生影響。舉一個簡單的例子:

倫敦到北京直線距離8163千米,客機高空巡航速度大約850千米/小時,假設一萬米高空出的風速為130千米/小時,由倫敦刮向北京方向,根據中學所學的速度疊加公式:

從倫敦飛北京:8163 / (800 + 130) = 8.8(小時)

從北京飛倫敦:8163 / (800 - 130) = 11.3(小時)

一來一回相差兩個半小時。

科里奧利力

聰明的小夥伴可能會想到:我們平時坐旋轉木馬(或任何圓周運動)都會感受到明顯的離心力,而地球是一個繞地軸旋轉的球體,是否也會有離心力的存在從而影響地表物體的運動,答案是肯定的。

如上圖(可視為地球的俯瞰圖,0為北極點),在旋轉體系中進行直線運動的物體,由於慣性,有沿著原有運動方向繼續運動的趨勢。但是由於體系本身是旋轉的,在經歷了一段時間後,體系中物體的位置相對於原有運動趨勢的方向會發生一定程度的偏離。這種物體的直線運動偏離原有方向的傾向被歸結為一個外力的作用,物理學中叫做科里奧利力(簡稱科氏力),於2023年由法國氣象學家科里奧利提出。

科里奧利力與離心力一樣,都不是真實存在的力,而是為了在旋轉體系中正常運用物理定律而引入。

科里奧利

科里奧利力的計算公式為:f=-2m(ω×v),大小為2mωv sinθ。其中m為物體的質量,ω為地球角速度,方向自南極點指向北極點,v為物體相對於轉動參考系的執行速度,θ為ω和v之間的夾角。

有此公式我們可以得出一些關於科氏力大小和方向的結論:

當飛機在北半球沿著經線行駛時(包括由北向南和由南向北),科氏力方向水平向右,南半球向左;

當飛機沿著緯線自西向東(無論南北半球)行駛時,科氏力由地軸指向飛機(垂直地軸向外);自東向西時,科氏力由飛機指向地軸(垂直地軸向裡);

在赤道線上水平運動的物體受到的科氏力為零;物體在極點附近做水平運動時科氏力最大(夾角θ趨近90度且ω不為零)。

假設一個體重75kg的**在地表以100km/h的速度駕駛一輛汽車,帶入上述公式,他受到的科里奧利力最多也只有大約0.3牛頓,相當於自身體重的0.04%,可見對我們的日常生活影響不大。

但對於在大氣層中高速飛行的飛機,科氏力的大小約佔飛機自身重量的0.3%,加上航空對精度的高要求,這種影響便不能忽略不計。

颱風、信風、季風和洋流

緊接著上文的分析,我們可以用科氏力解釋很多自然現象,小到水槽和抽水馬桶中水的運動,大到全球範圍的颱風、信風、季風和洋流。

在北半球由水槽或抽水馬桶周圍向中心運動的水始終受到向右的科氏力,大家自行腦補可以得出水逆時針旋轉的結論,南半球與之相反。

同理,我們從衛星雲圖上看,北半球的颱風都是逆時針旋轉的,這也是科氏力玩的把戲。

科氏力對人類的航海發展提供了極大便利。400年前探險家麥哲倫帶領船隊第一次越過南半球的西風帶向太平洋駛去的時候,驚奇的發現在長達幾個月的航程中,海面上一直吹著東南風(北半球吹東北風),把船推向西行。在赤道兩邊的低層大氣中,風向年年如是,穩定出現。

後來西方商人常藉助這股風往來於海上進行**,故稱之為trade wind,中文則翻譯成信風。現在看來,講「信用」的不是風,而是背後不變的物理定律。

現代氣象學意義上的季風的概念是17世紀後期由哈萊首先提出來的。根據哈萊的理論,南亞地區阿拉伯海至印度的季風應該是夏季吹南風、冬季吹北風,但實際觀測到的卻是夏季吹西南風,冬季吹東北風。這是因為夏季氣流從南半球跨越赤道進入北半球時,受到了向右的科氏力作用。

科氏力對於洋流的影響和風類似,一般暖流的走向是從低緯度地區走向高緯度地區,而寒流的走向是從高緯度地區走向低緯度地區。在科氏力的影響下,北半球的洋流向東偏,寒流向西偏。例如英國坐落在大西洋的大概東北方的方向,使得英國常年溫暖溼潤。

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3樓:匿名使用者

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