設想一下,當一隻鷹從你的肩膀上飛走後,毫無疑問,你不用再承受鷹的重量,你的負擔變輕了。但是,當一架60噸重的民航客機飛離地面後,地球的“負擔”會減少60噸嗎?兩個看似同樣的問題,卻不會有同樣的答案,因為後者所涉及到的物理學知識並沒有我們想象的那麼簡單。
首先給出答案:地球仍在承受飛機的重量。
問題的核心在於,飛機的重量是由空氣來支撐的,如果沒有空氣,飛機將墜落。反過來,地球的大氣層是由地球表面的萬物來支撐的。到這裡,答案已經非常清晰明瞭,但背後的物理學知識並不簡單。
在地球引力的影響下,所有的物體都會被持續地拉向地球中心,這包括地殼,而地殼上的任何物體,我和你,還有大氣層上的所有空氣,還有月球,太空飛船,都受到了地球引力的影響。然而,萬物都在抵抗地球引力,地核支撐著地幔,地幔支撐著地殼,地殼支撐著地表上的一切,包括你、我和大氣層,而軌道力學支撐著月球和太空飛船。
飛機一旦起飛,其重量不會消失,不管它飛多高,只要它是依靠空氣動力學來飛行的,它的重量都會被轉移到大氣層上來。因此,當一架飛機衝上雲霄,大氣層的重量就會增加幾十噸。(值得一提的是,大氣層本身是非常重的,重達5000多萬億噸,只是由於壓力的作用,我們感受不到而已。)飛機雖然離開了地面,但地球表面仍然要承受幾十噸的重量,只不過地球與飛機之間多了大氣層這個“中間人”而已。
為了證明這一點,我們可以做一個思維實驗。假設一個密封的,充滿足夠的空氣的罐子裡有一隻蒼蠅,罐子底下有一個非常靈敏的電子秤。當蒼蠅停留在罐子底部時,我們記錄下罐子的重量,而當蒼蠅在罐子內穩定飛行時,電子秤上顯示的數值會變嗎?答案是不會。當我們把蒼蠅比作飛機,罐子比作地球,道理是一樣的。
就算你把罐子換成一個裝大米的筒形糧倉,蒼蠅換成無人機;甚至,你造一個面積像機場一樣大的罐子,蒼蠅換成直升飛機,結果都是一樣的(但是你得設計一個巨大的秤)。
當一架飛機以很低的高度在你頭頂上飛過,你能感受到飛機強大的向下氣流(如果是直升飛機,你的感受更強烈)。然而,當飛機爬升到更高的位置時,飛機在空中向下推動的力(在航空術語中稱為“下洗”,即機翼產生升力時引發流經機翼的氣流向下運動)會越來越大,這個力由大氣層來承受,但也會間接轉移給地表。
但是,這其中也會有一點小意外,雖然地球仍要承受飛機幾十噸的重量,但隨著飛機的爬升,地球所承受的飛機的重量是會減小的。因為重力會隨著距離的增加而減小,當飛機爬升到巡航高度時,飛機的所受的引力會減小大約0.2%。
另外,如果飛機是向東飛行的,飛機所受的引力也會變得更小,這是因為地球是自西向東轉的,角動量會增加離心力,會抵抗一部分的重力,影響很小,但是可以測量的。相反,如果飛機向西飛行,所受的引力就會稍微增加。飛行方向的不同,也會增加或減少地球所承受的重量。