当一个物体从我们手中滑落时,我们看到的是它垂直下落,但在另一个人看来,这个物体是不是也是垂直下落呢?
在他看来,可能并非如此,实际上,对于任何一个不跟地球同步旋转的人来说,物体下落的轨迹可能都不是直线。
如图所示,假设这个重物从500米的高度自由下落。那么,它在下落过程中将参与地球上的所有运动,但由于作为观测者的我们也在同时参与这些运动,因此我们根本感觉不到重物下落时的各种附加运动。如果我们脱离地球的各种运动,就可以明显看出重物下落的轨迹并不是直线,而是别的路径。
图对于地球上的观察者而言,重物下落的轨迹是直线。
比如说,我们在月球上看地球上的重物下落。虽然月球也跟地球一起围绕太阳公转,但它的自转跟地球并不同步。所以,在月球上看来,地球上的这个重物一共参与了两种运动:一种是垂直下落;另一种是沿与地面相切的方向向东运动。根据力学定律,这两种运动将合成为另一种运动,我们知道,自由下落物体的运动速度不是匀速的,而另一种运动却是匀速的,所以,合成后的运动轨迹将是一条曲线,如图所示。
图从月球上看地球上重物下落的路线。
如果在太阳上,用高倍望远镜来看这个重物的下落,又会是另一种情形。这时,对于观测者来说,不仅没有参与地球的自转,也没有参与地球的公转,所以,如图所示,我们将看到三种运动:
图地球上物体垂直下落的同时也沿着与地面相切的方向运动。
①重物垂直下落;
②重物沿与地面相切的方向向东运动;
③重物围绕太阳旋转。
在第一种运动中,由于物体下落的高度是0.5千米,可以得出,它下落到地面共花了10秒钟;在第二种运动中,假设事发地点在莫斯科,那么它的路程可以用纬度计算,为0.3×10=3千米;在第三种运动中,它的速度是30千米/秒。所以,在10秒的时间内,重物沿公转轨道运行了300千米,比前面两种运动大多了,对于太阳上的观测者来说,可能只看到第三种运动。如图所示,在这个时间里,地球向左移动了很长的距离,而重物只下落了一点。需要指出的是,图中的比例尺并不标准,在10秒内,地球最多移动300千米,但图中大概是10000千米。
图从太阳上观察地球上垂直下落物体的运动轨迹。
不妨再深入探讨一下,如果我们在地球、月球和太阳之外的一个星球上观察这个下落过程,还会发现第四种运动。这种运动是与该星球的一种相对运动,它的方向和大小取决于太阳系和这个星球的相对运动。如图所示,假设这个星球也在太阳系中运动,速度是100千米/秒,跟地球公转的轨道平面成一锐角。那么,重物在10秒时间里将沿该方向移动1000千米,这时,物体的运动路径将变得非常复杂。当然,如果在另一个星球上,观察到的可能又是另外一种路径。
图从地球、月球、太阳之外的另一个星球上观察地球上物体下落的运动轨迹。
分析到这里,有的读者朋友可能会想,如果在银河系之外观察呢,又是什么情形?这样,对于银河系跟其他宇宙天体的相对运动,观察者都不会参与。实际上,根据前面的分析,我们已经知道,从不同的角度观察物体的下落,看到的情形完全不同。