題:
為什麼我們在飛機上感到重力?
James Dean
2018-01-30 12:10:33 UTC
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以恆定速度飛行的飛機如何經歷重力?如果您正在太空艙中飛行(不加速),那麼您會感到失重,直到撞到地面。為什麼不坐飛機?

Chris K,您好。通常,等待一天左右然後在Stack Exchange上接受答案是一個好主意。接受答案雖然並不能阻止添加其他答案,但會向社區發出信號,表明您認為自己的問題得到了滿意的回答,這可能導致其受到社區的關注度比其他方式少。
對於Physics SE網站,這不是一個更好的問題嗎?
如果您在飛機上並且沒有重力感,則將面臨“深重麻煩”。除非您要進行微重力飛行。
強制性XKCD:https://what-if.xkcd.com/58/。您必須“非常快地”側身走,以不斷錯過地球,因為地球的重力將您拉向圓形路徑(我們稱之為軌道)。
赤道處的地球表面以每小時大約1000英里的速度繞地球中心移動。為什麼您感到重力站在赤道上?
@MichaelKjörling這樣嗎?如果他認為答案正確,則讓他這樣做。
人們提到像航班這樣的嘔吐彗星真的很令人討厭。當然,顯然,在這個“大眾科學難題”中,OP詢問的是普通級別的飛行。
@TheGreatDuck當然,您會注意到,OP並沒有拒絕接受的答案。那絕對是他們的選擇。但是,OP還應該意識到早期接受答案的“潛在”後果。
您好@Shufflepants。您的問題的確切答案在下面的我的答案中給出。
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如果您在太空艙中不加速,則會感到重力……軌道上沒有重力的唯一原因是因為您的太空艙/宇宙飛船/物體墜落的速度與您一樣快!
即使“不加速”的意思是“不使用火箭”,也不是真的“如果在太空艙中飛行(不加速),您會感到失重,直到撞上地面為止。”至少,如果您擊中的地面是地球,那是不正確的,因為地球有大氣層。相反,如果墜入月球,您會感到失重,直到受到最終撞擊為止,但是在那個位置,飛機只是一個膠囊,從側面伸出無用的金屬板。
@Shufflepants,因為您需要比站在赤道上快20倍才能感覺不到重力。
@jmarkmurphy我知道原因。我向克里斯·克里斯(Chris K)提出了一個問題,讓他以不同的方式思考他自己的問題。答案“您需要更快地做到這一點”並不能真正回答我認為是他對重力如何工作以及感覺失重的必要條件的根本誤解。
在Flat Earth SE網站上這樣做會更好嗎?為什麼沒有FE SE網站!都是陰謀詭計!為什麼直飛的飛機撞上穹蒼?
十 答案:
Greg Hewgill
2018-01-30 12:18:19 UTC
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這是飛行在軌的區別。在軌道上,您確實確實是在向地球墜落,但是航天器也是如此,並且您的飛行速度足夠快,以至於您一直在想不到地球。

在飛機上,因為它由於升力而保持在高空,這是不跌倒。這就是為什麼您會遇到重力在飛機上的原因。

某些飛機旨在減輕失重感,請參閱嘔吐彗星

好吧,如果您沒有跌倒並且所有力量之和為零,那麼您是否還會失重?
@ChrisK:在水平飛行的飛機上,您仍然會受到重力的影響。飛機的升力將您推向相反的方向。如果所有力的總和為零,則表示您處於*平衡狀態*,表示您沒有朝任何方向加速;這並不意味著您“失重”。
實際上,應該說您在飛機上感覺到的力不是重力,而是地板(座椅等)對您的推力。您永遠不會感到重力,您會感覺到身體上的力量抵消了重力。當然,在軌道上,重力仍然在您的身體上拉動,但太空飛船並沒有向其推動,因此感覺很弱。
@Martin出色的解釋,在某些情況下以這種方式思考要容易得多!
@ChrisK:作為人類,您會倒在地上。但是,飛機會產生使飛機保持舉升的升力。由於您在飛機上,所以飛機會**阻止您墜落。飛機對您的身體施加的阻止您墜落的力就是您所說的“感覺重力”。但是,在太空中的太空艙沒有升力,車輛就像您一樣自由下落。由於車輛不會對您的身體施加作用力,因此您不會“感覺到”重力。但是不要誤會,即使在軌人員也受到重力的影響,由於他們與太空艙的參照系,他們似乎在“漂浮”。
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@LightnessRacesinOrbit,好的,您在那裡。 :)感覺與已經發布的其他答案非常相似,但是很好。我以後總是可以刪除它。
@ChrisK:切記:當您站在地面上時,您也不會加速,所有力量的總和為零!如果地面沒有阻礙,以與體重相反的法向力向上推您,您就會跌倒。飛機是一樣的,它阻礙了您墜落並推動您上升。您所站立的物體所使用的力本身是固定的(無論是下面的岩石傳遞的法向力,是在[地面]上抵抗壓縮,在[平面]內舉升,甚至是在[電梯]上拉力)都是無關緊要的。只要重力存在,就必須有一定的力量抵抗它,以免您掉落
@ChrisK“好吧,如果您沒有跌倒並且所有力量之和為零,那麼您還不會失重嗎?”感到失重的唯一方法是跌倒。
@Martin:不知道其他人是否同意,但我發現可能以多種方式呈現相同事實的價值。畢竟,這就是為什麼該軟件允許對最初旨在作為客觀事實的問題(在SO上)提供多個答案。
mins
2018-01-30 14:15:51 UTC
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為什麼在飛機上會感到重力?

正是出於在火車上旅行時會感到重力的原因:

  • 我們“不是自由落體(機艙地板阻止了這種情況的發生)。
  • 我們的軌道速度不是大約28,460公里/小時。
  • 我們飛行的速度不是很好緊密的曲線可能會產生自由落體(但無論如何只能持續幾秒鐘)。

重力和體重

一切都很沉重

所以只有兩個表示擺脫重力加速度影響的方法:

  • 以另一種完全相反的加速度去除重力。這是“衛星方式”。衛星自身的速度及其圓形軌跡(從衛星上看)產生與重力加速度完全相反的離心加速度。兩種加速度的影響都消失了。

  • 去除一切阻止重力完全起作用的東西,這就是“自由下落的方式”。重力要我們跌倒,然後從地面和/或地面開始,移除所有阻止我們跌倒的東西。當我們從某個高度跳下時,我們會在短時間內處於微重力狀態,如果我們低估了時間,那麼就去醫院。這也是某些飛機在30秒鐘內訓練宇航員的方式(“ 0G飛行”)。在重力仍然存在的情況下,通過“重力流”加速其作用被抵消。

在兩種情況下,飛機和衛星都經歷“微重力”(這意味著殘餘重力約為$ \ small \ mu g $)。任何受到微重力作用的質量都是(幾乎)失重的。

對於這裡的物理學家來說,實際上只有一種情況,因為在軌衛星也可以自由下落並且沒有離心力,只要我們為觀察者選擇合適的參考系(慣性框架)。如果我們想變得更加嚴格,愛因斯坦還認為引力實際上是虛構的(我可以說),這使他發現了廣義相對論空間-時間曲率 sup>

恆定速度與恆定速度

飛機如何以恆定速度飛行速度經歷重力嗎?

在恆定速度的軌跡中微重力永遠不會發生。

原因是因為恆定的速度是恆定的速度,也是恆定的方向

  • 恆定的速度意味著我們不能自由下落,否則我們

  • 恆定方向意味著我們也不會產生任何離心加速度,因為它需要改變方向。

當衛星處於圓形軌道時,它們以恆定的速度不是 ,而是以恆定的速度

跟隨他們或位,其位移方向會不斷調整,因此速度會不斷變化,這使他們能夠創建與重力完全相反的 離心加速度

我們可以在水平移動的飛機(或火車)上創建微重力嗎?

水平不是指“直線”。它的意思是與重力方向成直角(局部垂直方向),因此在水平方向上長距離移動時,我們實際上是在跟隨地球曲率。

如果飛機/火車遵循地球曲率(因此不斷改變方向),則理論上我們可以實現微重力,但是在這種情況下,我們的行進速度非常快,比國際空間站快一點( 27,560 km / h(當前時間),大約為28,460 km / h。在這種情況下,我們處於零高度的軌道上(軌道軌跡不取決於高度)。

在實際中這是不可能的,這將需要大量的動力,並且由於摩擦力,一切都會融化

飛機上的微重力會飛出一條特定的曲線

但是如中所述,有人可以一邊倒一杯水一邊倒飛會由於重力而保持飽滿?,我們可以通過飛行特定的軌跡來創建微重力。在這種情況下,我們所缺少的速度將被沿曲線方向不斷變化的速度所替代。這提供了不錯的視頻,例如與兩個不打擾的傢伙一起有趣的失重狗:

enter image description here
Source sup >


總而言之

失重是受到微重力作用的結果,可以通過以下方法獲得:

  • 在恆定速度下,我們需要遵循一條曲線,該曲線產生與重力完全相反的加速度。這要么需要以較大的特定速度(軌道速度)移動,要么以有限的速度進行相對較緊的轉彎。

  • 在自由落體中,我們必須遵循向下的軌跡和永久加速度通過重力,這意味著,例如在 35秒且低6 km的情況下,我們已經開始超音速運動!不太舒服,僅在最初的35秒內!

為了在低海拔地區實現可行且持久的微重力,必須將這兩種技術結合起來。

*“軌道並不意味著沒有重力” *甚至比這還殘酷; *如果沒有重力*,就不可能有軌道。在軌道上時,您將遵循由速度和引力場相互作用形成的曲率。這就是為什麼您最終得到看似奇怪的結果的原因,例如[航天器沿直線行駛,而不是習慣的參考系中](https://space.stackexchange.com/q/7981/415太空船使用彎曲的軌道到達目的地,而不是直線行駛?”。
這應該是IMO接受的答案
衛星也是自由落體的。他們不會創造新的力量。
@MichaelKjörling-好吧,如果沒有重力(或其他某種力,例如磁力),則不可能*無動力*地運行。 :-)
@T.J。Crowder如果它是“帶動力的”,我認為這不是軌道;而是在具有連續或不連續軌跡變化的動力軌跡上,該軌跡可能形成閉合的橢圓。 (不是說這沒有用;請看羅塞塔在67P彗星周圍的軌跡。)雖然對“其他力”有好處,但是由於在我們的宇宙中,引力幾乎無處不在,所以...
我認為此答案未正確使用術語“微重力”。例如,微重力不會將水留在玻璃杯中。我認為“自由落體”的使用方式也可能會造成混淆-據說衛星也處於自由落體狀態,但這意味著與降落傘跳躍的頭幾個瞬間不同的是,這有很大不同。
leftaroundabout
2018-01-30 18:29:32 UTC
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從不實際上根本沒有“感覺到重力” † sup>,不在軌道上,不在飛機上,也不在堅實地面上。

您在地面上感覺到的是地球壓在腳上,其作用力完全抵消了重力加速度。一旦您停止該部隊,例如通過在電梯中剪斷繩索,重力加速度將很快使您的速度向下改變,這當然會不可避免地使您回到地面(在那裡,它會痛苦地重申其向上的力...)。我們已經完全習慣了這種向上的作用力作為正常狀態,以至於我們甚至沒有註意到它是作用力,而是談論“重力作用下的作用力”,但實際上並不是真正存在的作用力。 p>

在飛機上,情況幾乎相同:您所感覺到的力是空氣在機翼周圍流動的力,將整個飛機向上推。沒有這種力,飛機將迅速停止以恆定的速度行進,而是以更快的速度向地面行進。

現在,對於在太空中運行的太空艙,這實際上也發生了:這裡沒有抵消重力加速度的力,因此處於自由落體狀態。但是因為它的水平速度非常快,所以沒有足夠的時間使其掉落到地面上-它“錯過了地球”,因此繼續了它的軌道。


† sup> 您唯一能真正感覺到重力的地方是一個黑洞,那裡的潮汐力會使您的身體伸展開來……但是從來沒有發生在均勻重力場中,任何足夠大/遠的場都近似均勻。 sub>

意大利化仍然是現代天文學中最好的術語之一!
並非完全正確。內耳可以感覺到向上的方向,也稱為平衡感。儘管如此,無論我們是否*有*經驗*,問題似乎仍然與存在的真實*力*有關。
@Octopus不,您的內耳都無法感知重力。只是感覺從耳朵的一側支撐著耳朵中的漂浮顆粒,而耳道又由您的身體支撐,然後由飛機的地板或座位支撐。您所有的“感覺”無非就是某些組織的應變/變形。均質力場僅不會引起任何變形。
@Martin,您的論點是完全語義的。 OP已經指出,飛機乘客會感到某種感覺,而太空艙飛行員則不會。如果您願意,可以稱其為“非重力”,但有一種震撼力!
@Octopus可以看作是語義上的一種,但我認為,這是考慮情況的更好方法。如果您想像完全是空的空間(因此完全沒有重力),那麼只能坐在椅子上(和一些膠囊左右,這樣您就不會窒息了:)),它將像在您坐在辦公桌前時一樣對您的身體施加完全相同的力在家裡,即使沒有真正的重力,您也會獲得完全相同的“重力”感覺。 (是的,您可以說這是因為重力/加速度等效,並且您會說對的,但內耳在這裡並不是身體的特殊部分)。
h22
2018-01-30 15:47:15 UTC
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我們是,速度不足以使其易於觀察。實際上,在飛機上時我們會更輕一些,因為它也像宇宙飛船一樣繞地球旋轉,但是即使對於SR-71最高速度(假設3540 km / h = 983 m / s),其效果也是太小而無法理解:

$$ g = \ frac {V ^ 2} {R} = \ frac {(983 \ frac {m} {s ^ 2})^ 2} {6400000 \ m} = 0.15 \ frac {m} {s ^ 2} = 0.015 \ g $$

(g在地球上接近9.8)。甚至還不是很小,但我懷疑0.015 g的加速度是否可觀察到。對於波音747(假設為988公里/小時),僅0.0011克。

在所有答案中,這是唯一指出*從重力(即1g)到失重(即0g)的平穩過渡,並提供了可用於計算加速度的方程式感覺。實際上,一旦您以比SR-71更快的速度進入高超音速飛機領域,這種效果就可以發揮重要作用。
因此,使用747,我們的重量減輕了約1%? -!
@chux如果您的747在1%的重力下直線向下加速。
@immibis誰不行!
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Martin
2018-01-31 15:18:19 UTC
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您感覺到的不是重力,而是地板(座椅等)推動著您。您從不感到重力,您感覺到身體上的力會抵消重力。在飛行飛機中,這些力來自機翼的升力,但是在軌道上卻沒有這樣的反作用力,因此即使重力一直存在,您仍會感到失重。

所有的重量感都來自於大腦組織中的各種應變或變形傳感器。因此,為了感覺體重,必須用力使您的身體變形。均勻的重力場(地球重力對於這些目的足夠均勻)在您身體的每個點上施加完全相同的力,因此不會引起變形。

另一方面,地板,座椅等支撐您的身體只能局部分佈,並且需要通過您的身體“分散”力,這會導致組織變形和“重量感”。

這抓住了我要寫的答案:我們稱為“失重”的概念實際上是一種內部屬性:缺少這些分散的力量。實際上,它們是由真實的重量引起的(即重力將身體的各個部分拉下)的影響,還是由其他影響(例如許多遊樂園遊樂設施中的向心加速度)引起的,都沒有關係。
Koyovis
2018-01-30 13:39:54 UTC
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飛機飛行的速度不足以使其失去重量。如果跟隨地球曲率產生的離心力$ ^ 1 $ F $ _C $ = $(m \ frac {V ^ 2} {R})$,那麼在恆定高度飛行的飛機上的人將失去重力。重力($ m \ cdot g $)。

enter image description here

$ p m \ cdot \ frac {V ^ 2} {R} = m \ cdot g \ Rightarrow V = \ sqrt {R \ cdot g} $$

即使在巡航高度,g = 9.81 m / s $ ^ 2 $且R = 6,400 km,我們得出V = $ \ sqrt {9.81 \ cdot 6.4 \ cdot 10 ^ 6} $ = 80,000 m / s。以地球表面上方10公里的速度,您將失去重量

$ ^ 1 $使圖形更易於理解。

“飛機飛行的速度不夠快,無法失重。”好吧,不在水平飛行中。 [在加速飛行中完全可以承受0法向力。](https://en.wikipedia.org/wiki/Reduced-gravity_aircraft)不過,這對於乘客來說並不是最舒適的體驗。
一個完美的答案。
@reirab-需要考慮的事情。如果飛機只是墜落(嘔吐的彗星),(您和我明白.....)那是一個完全不同的“初中物理學科普主題”,而不是有價值的“初中物理學科普主題”,為什麼宇航員在軌道上感覺失重” .....將這兩個(有趣但又不同)的“初級物理學科普主題”-IMO混為一談是可恥的!
FWIW科約維斯-“飛行的飛機不會失重。”實際上,IMO在正常水平飛行中的飛機實際上“失重”。使用通常的“重量V.質量”!高中對這兩個術語的定義。請注意,如果您將747掛在秤上,則“在其自身的參考框架中” **的權重為零。 (很明顯,您必須在下面用另一個切菜刀或其他東西來調節它,以便使用大浴室秤對其進行稱量,以使其處於參考範圍內。當然,它的重量為零。垂直放置的氣球型飛船。)
@Fattie軌道“正在下降”。兩種情況下感覺失重的原因是相同的-即,沒有法向力將您向上推,以抵抗重力將您拉下。也就是說,在兩種情況下,您都可以自由落體(朝著地球中心加速0.9到1.0 g之間)。它們之間的唯一區別是,軌道飛行器的側向移動速度也足夠快,可以連續落在地球周圍,而飛機卻不是,如果允許其繼續下落,飛機最終將承受地面施加的非常突然的向上力。
嘿,@reirab,對-您和我倆都是數學家,我都知道這一點。但是它們是兩個不同的“大眾科學主題”-您知道!只是IMO。足以解釋為什麼“在747中”和“在ISS中”是不同的!
Harper - Reinstate Monica
2018-01-31 00:43:11 UTC
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考慮“嘔吐彗星”飛行,他們有意沿著與保齡球在重力作用下會“飛翔”的相同下降路徑飛翔。如果您只是簡單地沿著那條飛行路線行駛,則可以進行SPLAT。

機翼是一種有趣的形狀,專門用於創建 lift 。這樣一來,他們就可以創建除該航蹟之外的其他航跡。

您在飛機上感覺到的“重力”是機翼在做自己的事情。機翼本身已經過調整,可以精確地抵消重力,因此力感與重力相同。精確抵消重力的原因是保持在相同的高度,一個ATC分配了它們,這樣它們就不會撞到其他飛機...

...或者(這有點複雜)以恆定的爬升/下降速度提供舒適性和簡便性。如果以恆定速度移動,則加速度為零,而重力是加速度效果。

Fattie
2018-01-31 00:06:26 UTC
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這個問題的答案再簡單不過了。

在給定的高度上,您需要以一定的速度行駛以實現“失重”。

在海平面上,該速度為28,500 mph。

在30,000英尺處,該速度為28,400 mph。

在飛機上,您的行駛速度不夠快。

您的速度不夠快。

(請注意,火車或汽車的行駛速度完全一樣。如果您以28,500 mph的速度行駛TGV,您將獲得“失重”效果。您將像在太空站中漂浮一樣,在TGV中漂浮等。)

使用此計算器來了解所需的速度不同的高度:

http://www.calctool.org/CALC/phys/astronomy/earth_orbit

Machavity
2018-01-31 20:06:45 UTC
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XKCD 詳細介紹了此內容。雖然其他答案涵蓋了所有物理角度,但XKCD在將科學降至易於理解的水平(強調我的觀點)方面做得很出色。像重力一樣強。空間站根本沒有逃過地球的引力;它正在經歷大約90%的表面拉力。

為避免掉回大氣層,您必須非常非常快地側身走。

您需要的速度停留在軌道上大約每秒8公里。 僅一小部分火箭的能量被用於將其提升到大氣之外;

這使我們進入了進入軌道的中心問題:達到軌道速度比達到軌道高度需要更多的燃料。使船速達到8 km / s需要大量助推火箭。達到軌道速度已經足夠困難了。在攜帶足夠的燃料以使其減速的同時達到軌道速度將是完全不切實際的。 s或所需速度的25%。

RonJohn
2018-01-31 00:00:02 UTC
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牛頓的砲彈。

https://zh.wikipedia.org/wiki/Newton%27s_cannonball

在飛機上,你就是標記為“ A ”的砲彈,唯一阻止您墜入地面的是機翼產生的升力。

enter image description here



該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 3.0許可。
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