“从旧金山飞到波士顿为什么比波士顿飞到旧金山要快？”

这个问题是两个月前我出差在我的科普物理网课群里里即兴问同学们的。同样的，从北京飞往旧金山也比从旧金山飞往北京要快。你知道为什么吗? 

读者朋友们可以想想是为什么，你不一定回答正确哦。也可以问问自己的孩子，讨论之后再告诉他们答案。在互相探讨的过程中，最重要的不是答案，不是知道“什么”，而是知道“为什么”。

从旧金山（或西雅图）美国西海岸飞到波士顿需要5个多小时，但是从波士顿飞回旧金山（或西雅图）美国东海岸却需要6个小时，为什么呢？

看到这个问题，也许你会认为是由于地球的自转，顺着或逆着自转方向飞当然耗时不一样，真的吗？

在我们刚刚结束的《无处不在的物理学-机械，运动和能量》第八课里说过，地球每24小时转一圈。如果把地球表面沿着经线等分成24部分，每转过一部分需要1小时。也就是我们通常说的时区。

▲全球时区图

旧金山到波士顿东西方向的跨度，是3个时区，相当于从新疆乌鲁木齐到黑龙江的最东侧。

如果某个物体在地球上方停着不动（比如太阳），初始时候在美国东海岸（波士顿）正上方，3个小时之后就会到西海岸的正上方，因为地球在那3个小时内自转了1/8圈。（题外话：如果大气层不跟着地球一起自转，1小时之后，你家门口的天气就变成千里之外的天气了，哈，那当然不是真的）

▲图片来源于知乎机构号：Garmin佳明

如果飞机起飞后不跟随地球自转，只要停在空中，那么3小时过后，就会从美国东海岸的上方到达美国西海岸的上方。意味着波士顿飞往旧金山（或西雅图）只要3个小时，而且飞机自己不用动。当然那不是真的。

反过来，在美国西海岸，比如说旧金山起飞的飞机，如果自身不带有地球自转的速度，马上就会到达太平洋上空，而想要飞往波士顿，那飞行速度必须超过地球自转速度，还要超过很多，飞行速度减掉地球自转的速度之后，剩下的那部分才能用来缩短与东海岸的距离。

也就是说飞机如果不带地球自转的速度，从东往西又快又不费力，从西往东会很难很慢。

然而实际上的航班却是从东往西飞得慢，从西往东飞得快。

所以千万不能想当然地以为东西两个方向飞行时间的差别是因为地球自转速度会叠加飞行的速度。

假设飞行速度会叠加自转速度，顺着地球自转方向飞得快，逆着地球自转方向飞得慢的话，得到的结论与我们观察到的是反的，不能用来解释我们观察到的现实。

这就是我们需要掌握的一整套，假设、推理、实验、验证的科学思维方式。你可以大胆地根据自己的直觉假设东西飞行的时间差异，是由地球自转方向直接造成的。然后进行认真严密的逻辑推理，再与实际观察到的数据比较，符合实验结果的，则有可能是正确的假设和理论。不符合实验结果的假设或理论就被证伪了。

科学发展就是一个不断的大胆假设，小心求证的过程，不断的通过推理和实验去证实证伪的过程。

我之前和同学们讨论过，所有带有质量的物体都具有惯性，也就是保持自己运动速度和方向不愿意改变的惰性。

原本停在地面上的人在跳高离开地面以后，仍然带有之前跟随地球自转的那部分速度。所以竖直向上起跳能落在原地，而不会因为在半秒钟的时间之内，地球表面因为自转已经转走上百米，而落在百米之外。

往东跑或者往西跑，也不会因为地球自转而更快或者更慢，否则奥运会的百米跑道和跳远跑道的朝向就会直接影响世界纪录了。

相对于地面来描述运动，把地球当作是静止的，人们、火车、飞机，不管是否离开地面都带有原地本身地球自转的速度，不会因为“顺着自转方向或者逆着自转方向”而影响耗时。

地球自转的速度不能被叠加到飞行的速度上面！

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那么到底为什么飞机在东西方向往返飞行的时间可能有很大差距呢？

我们来考虑一下划船的时候，船在水里划，船相对于岸边地面的速度，是船与水相比的速度和水流速度共同作用的结果。

船在相对水的速度与水流的速度是可以叠加的。

如果船的速度在静止的水里面是6米/秒，而河水水流速度相对于岸边是4米/秒，那么顺水划船，一秒钟相对岸边就前进了10米，而逆水划船，一秒钟相对岸边只前进了2米。

▲逆水行舟

学习如逆水行舟，不进则退，说的就是这个道理。当你放弃用力划船，逆水行驶的时候每秒钟甚至会随着水流后退4米。

北半球大部分温带地区（30-60°纬度）都处在西风带，虽然各地的风向不同，但总体来说是从西往东的流动（西风）。所以虽然飞机在大多数时间飞行在天气影响并不明显的平流层，但在飞行时仍然受到西风带的影响。（PS：平流层在万米高空往上，气流以水平方向为主，少有上下颠簸的气流，也没有雨雪雷电等天气现象）

在西风带，从西往东开的飞机是顺流，从东往西开的飞机是逆流。气流的风速如果平均达到飞机时速的5%，就能造成往返耗时10%的差异（客机时速一般700-800km/h，200米/秒）。且南半球也有西风带。

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西风带有什么用？

这是什么？

你能想象吗？二战的时候日本气象学家荒川秀俊于1942年设计的气球炸弹，就是在日本放飞气球携带炸药，依靠西风带的西风给送到美国上看。图为在美国中部堪萨斯落地的日本气球炸弹。当然这样的炸弹效率很低，主要是制造恐慌。而且当然，荒川秀俊也因此被远东国际军事法庭裁定为战犯，获判7年监禁。参看： https://en.wikipedia.org/wiki/Fu-Go_balloon_bomb

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注意，南北半球都有低纬度（接近热带的）季风带（信风带），在季风带主流的风向并不一定全部都偏西，也就是说并不是所有的航班都有一样的东西方向的时间差。只是人口密集的多数温带地区常年有西风带。

所以，当我们看到波士顿与旧金山的往返飞行时间差异，试图去理解这个差异的时候，也有必要验证一下到底这样的从西到东更快的规律在哪些范围是实际观察到的，在哪些地方是不成立的？了解一个现象成立的范围也非常有助于我们给这个现象找到合理的原因和解释。

你学到了吗？无处不在的物理学，百万个为什么，处处有惊喜。

假设你站在赤道上一动不动，跟着地球自转，每秒钟会转多少米呢？（地球半径可算作6400公里）你会算吗？地球在赤道的周长是多少米，你花了多少时间跟随地球转一周？

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如果刨根问底：为什么南北半球都会有常年存在的西风带呢？

这个解释起来就复杂了，确实与地球自转有关，涉及到大学物理专业才会提到的科里奥利力（如果你现在不能理解完全没有关系，很多人大学还是不理解，只是套公式做题，那就不好了）。

科里奥利力本质上是由于地球作为一个旋转系统，如果被当作匀速平移的惯性系统里不动的参照物，与实际情况会有少量的非惯性系的偏差。

        挠头，啥啥啥惯性系啊，说人话！

        简单地理解科里奥利力，这么说吧，惯性系就是一个不动的系统，或匀速直线运动的系统。我们的直觉经验是把地球（大地）当作一个不动的系统，可惜地球并不是。

        如图所示，地球的经线ABC，因为自转过一会儿成了A~q~B~q~C~q~，这样的转动当然不是匀速直线运动，只是地球自转角速度比较慢，24小时才转一圈，比时针还慢一倍，所以我们不太能察觉。

        我们把地球上在ABC这几个点，相对于地面，朝四个方向的运动，用四种颜色的箭头标识。由于物体的惯性，这些运动会保持自己的运动方向。假设有个外星人立在空中真的不动，在他看来看，即使地球自转了，ABC三个点到了A~q~B~q~C~q~的位置，在不动的外星人看来，这四种颜色箭头标识的运动都没有偏转，都是平移了，符合牛顿的惯性定律。

        可惜我们”身在此山中“，不能跳到地球外面不跟着地球转地去观察地球的运动，我们认为沿着A~q~B~q~C~q~的方向才是不变的南北方向。相比我们心目中的不变的南北，我们以为北半球红箭头代表的运动朝东偏了，蓝箭头代表的运动朝西偏了。我们以为每个运动都往前进方向的右边偏了。站在南半球，把A~q~B~q~C~q~的方向当作是不变的南北方向的话，我们会认为这四个箭头都朝左偏了。（在匀速直线运动的系统中观察，两套平移的箭头就不会显示出偏移）

        总之，维持原来运动方向的四个箭头, 在不随地球自转的原地不动的外星人看来是平移了，完全没有受力，也没有改变方向。而在我们看来却似乎受了一个北半球往右偏，南半球往左偏的力。这个力和离心力一样不是别的什么东西施加给物体的力量，而是物体自身的惯性，在“乱动”（非匀速直线运动）的系统中的体现。（看起来有甩出去的趋势是惯性体现为离心力，看起来往一侧有些偏是惯性体现为科里奥利力）

        所以在旋转的地球上观察，北半球的流动会偏右，南半球的流动会偏左。所以从高纬度到低纬度吹的冷风，无论在北半球还是南半球都会有自西向东的偏向。来看看10500米高空的全球风向分布吧，红楼梦里说”家庭之事，不是西风压倒东风，就是东风压倒西风“，看地图这是妥妥地“西风压倒东风“啊。

地球 方向 运动 速度 速度会 飞机