飞机起飞后,重量去哪了?

遥控飞机放秤上重25克,那飞机轻轻起飞,称上的重量会变吗?

这个问题只涉及到了一个科学原理,也很简单,相信大家肯定都是到这个道理,但不一定能说出这个问题的答案,因为这里包含的物理原理不是很直观。首先要了解小型直升飞机起飞的过程很缓慢,这里说的起飞距离也很小。

要记住的关键点是:

一旦小型直升机起飞,飞机的重量由空气来支撑的。

反过来,空气是由台秤平面来支撑的。

     因此这个问题只涉及到了作用力和反作用力的问题,这样看来,台秤的读数是不会变得。但是如果飞机起飞速度过快,最后距离过高,由于一开始的加速度台秤重量会微小的增加,然后有一部分空气从秤面上吹到地面,那台秤的读数接下来就会减小。这个问题就这么简单。

下面我们将问题在扩展下,我们平时天上飞的飞机呢?

这个问题就会稍微复杂一点点。

       在地球引力影响下的所有物体都被不断地拉向地心。这包括地壳,任何在地壳上的飞机,我,你,大气中的所有空气,月球,国际空间站。地球上的所有东西,都简单地遵循一个分层的原理,从中心的大密度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,核心支持地幔、地幔支撑地壳,地壳支撑海洋、你、我和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,不管飞多高,它的重量并不会消失,只是改变了一个支撑体,不再受到地面支撑,飞机只是把它的重量转移到大气本身,而大气本身只是变得稍微重了一点点(顺便说一句,地球的大气在引力的作用下本身非常重,就像你用嘴把瓶子里的空气抽出来,大气压就可以把瓶子压扁,但是由于我们体内也充满了压力,因此我们并不会注意到大气压的存在)。地球表面仍然要承担飞机这个重量,而大气现在就变成了传递力的一个“中间人”。

为了证明这一点,我们来做个小实验。也可以说是一个思维实验,但我们可以在实验室环境中复制这个实验。

       首先,我们拿一个大的、可密封的罐子,把一只苍蝇放进去。然后将罐子密封,等苍蝇不乱飞的时候轻轻的将罐子放在天平上(一个非常敏感的天平因为我们的实验对象是苍蝇)。当苍蝇趴在罐子底部时,我们注意下罐子的重量(注意这里说的是重量而不是“质量”)。接下来,我们让苍蝇起飞……,如果秤足够灵敏,称的重量会有轻微暂时的增加,然后重量应该会稳定在与苍蝇趴在底部时差不多的重量。原因何在?罐子里的所有东西都被地球的质量用同样大小的引力吸引着,包括里面的空气、飞的苍蝇或者不飞的苍蝇。重量的短暂增加是因为苍蝇需要向上加速才能起飞,从而产生了一下向下的加速度,因此增加了重量。当苍蝇简单地绕着圈飞行时,力将恢复平衡。

       如果我们用一个“巨大的”罐子和一架四旋翼的无人机,做同样的实验结果应该是完全一样的。

如果这个罐子再放大一点,比如一个城市那么大的罐子,然后让一架真正的飞机起飞、然后平稳的飞行,结果还是一样的。只不过飞机起飞时加速度要大得多。

如果一架飞机在非常低的高度从上空飞过,我们就能感觉到它的运动。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)作用范围会越来越大,即使是最灵敏的仪器也无法探测到你头顶上有一架飞机飞过了。

那么更复杂的是,首先,随着飞机爬升,它的重量实际上变得更轻了。因为引力会随着距离质心的距离增加而减小,所以一架客机在巡航高度时应该轻了0.2%。而且,向东飞行可以让飞机看起来更轻。这是因为向东飞行飞机会有一个更快的轨道速度,虽然影响很小,但可以测量。当然,如果飞机沿着赤道向西飞行,实际上会让飞机感觉稍微重一些。

但最终,不管是局部还是真正的飞机,所有重量都必须落到地面上。

所以这个问题很简单,并不需要空气动力学的原因。这是因为不管飞机是如何飞行的,它的重力必须一直被抵消,而这个抵消的力就是空气的浮力,而空气又被地面或者说问题中所说的称托着,就这么简单。