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飞机逆着地球自转方向飞会节省时间吗?

本帖由 漂亮的石头2021-05-28 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    前面几位知友已有定性分析,这里给出定量参考。

    (1)地球是自转的,从北极看是自西向东转(那么逆着自转,就应是自东向西),每天转一圈,角速度 2pi/24。地球半径~6371km(千米),因而线速度在赤道上是 463m/s,这个速度可以理解为地面相对地轴的速度。毛爷爷的“坐地日行八万里就是指这个速度(463*3.6*24*2=8 万里,1km=2 里,1m/s=3.6km/ 小时;就是飞机待在原地不动,一天时间就已经绕着地轴移动了 8 万里)同理:

    上海处于北纬 31.23°,相对地轴的速度为408m/s

    北京处于北纬 39.9°,速度为 376m/s;

    漠河县位于北纬 53°,速度为 312m/s。

    [​IMG]
    Google 地球

    (2)高空急流 /西风急流,地理上急流的中心位置在北纬 27°~北纬 42°之间随季节变动;垂直方向来看,急流中心位于 200hPa 气压面的平流层中,近似高度为1 万米左右;恰是民航飞机所在的高度,这里风向水平,湍流弱,飞机相对不颠簸。急流速度相对于地面 50~80m/s,最强可达 200m/s。

    [​IMG]
    2007 年平均的 200hPa 风场(矢量)和风速(填色),数据来自 NCEP

    注:NCEP,美国国家环境预测中心,数据相对可靠。

    (3)对于飞行速度,座位板上显示有地速和真空速两种概念,如下图。其中,地速 963km/h(即 267.5m/s)指的是飞机相对地面的速度,真空速 890km/h(247.2m/s)指的是飞机相对空气的速度,这意味着当时是顺风飞行(当时飞机是自东向西,吹东风),风速为 73km/h(20.3m/s)。即真空速 + 风速=地速。

    实际上,飞机是保持真空速稳定(@GQ wang有关飞机空速、地速的几个问题?),这是因为机翼升力来源于气压差,而这压力差基本是由空速决定的,因而需要保持空速。这表明对于确定的飞机和乘客,其真空速是固定的,而地速会随着风速变化。维持真空速不变就要求,飞机能够通过改变自身推力 / 燃料 / 机翼形状以适应风速的变化。BTW,当风向突然改变时,飞机由于惯性,真空速暂时无法维持,机翼升力变化,不在于机身中立相平衡,此时飞机会失重(风速突然减弱)/ 超重(风速突然增强),机长 / 空乘会提醒你系好安全带,不过很快就会调整好真空速。

    [​IMG]
    地速与真空速

    --------------- 科普完毕 ---------------

    就题论题,自西向东和自东向西非牵扯到的只是(2)和(3)。举例:洛杉矶和上海相距 10485km,从洛杉矶飞上海(自东向西,逆着地球自转),因为逆风,耗时约 14 小时(平均地速 749km/h,208m/s)。而从上海到洛杉矶(自西向东,顺着地球自转),由于顺风,只需约 12 小时(平均地速 874km/h,243m/s)。为此,我们假定来回过程中,西风稳定且速度相同,那么有方程组:

    |空速|-|风速|=749km/h

    |空速|+|风速|=874km/h

    可得平均真空速大小为 811.5km/h(225.4m/s),而平均西风大小为 62.5km/h(17.4m/s),是前者的 7.7%。假设不存在西风,即风速为零,则真空速=地速=811.5km/h,则两城来回时间是一样的,均为 12.92 小时。

    --------------- 进一步讨论 ---------------

    之所以提出这样的问题,估计是对保持真空速不太了解,同时对自转与机速之间是否有关系产生困惑,或者对参考系也比较感兴趣。

    我们看到无论是真空速还是地速,都比自转速度(1)要小不少,假如飞机能够起飞后能够相对地轴 / 地心不动,静等地球自转,把目的地转过来我飞机直接降落即可,岂不美哉!想法确实很酷,只是,它本质实在要求飞机的真空速度达到408m/s,如前所述,飞机已定的情况下,其真空速也基本固定了,约225.4m/s,若想提高接近一倍,机身推力和强度方面也必须跟上才行。

    --------------- 声明 ---------------

    非飞行相关,如有错误请指正。

    阅读原文
     
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