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  • 1 # 使用者2525821059022

    早在公元前,畢達哥拉斯就說 「地球是圓的」 ,但直到麥哲倫完成了偉大的環球旅行,這個觀點才被世人所承認。事實上在麥哲倫完成遠航之前,人們已經發現了許多可以佐證這個觀點的證據,其中不乏很多有趣的事實。從其實並沒多遠的的地平線到跨海大橋,稍加計算你就會發現球的影響幾乎無處不在,隱蔽而又有趣。

    地平線離我們有多遠?

    如果地球是平的,理論上你可以看到世界的盡頭(如果平坦的世界有盡頭的話)。但地球是個球,腳下的大地並不平,遠方的大地最終會向下彎曲,落到視平線之下。所以即便天氣絕佳、前方一片開闊,你最多也只能看到——地平線。問題是,地平線離我們有多遠?實際上所謂地平線,就是我們的視線和地球的切點。如果沒有障礙物, 「地平線」和我們的距離如下圖所示:

    其中點 是視線最遠端。 表示地球半徑,這裡取 , 是一個正常人的視線高度,不妨設為 。根據簡單的幾何知識,很容易算出:

    將之前的 與 代入,可以得到: 。

    也就是說一個 高的人,在沒有遮擋的情況下,能夠看到的“地平線”距離他有 遠。當然這只是一個簡單的估算,但結果的精確度已經足夠。一個平均身高的人站在一望無垠的草原上,那遠方的地平線離他不到 千米!

    欲窮千里目,要上幾層樓?

    地平線沒有想象中那麼遠,欲窮千里目,只有更上一層樓了。不過話說回來,「上一層樓」到底能窮幾里目,「窮千里目」又要上幾層樓?不妨讓我們也來算一算。

    上面這句家喻戶曉的名句出自王之渙的《登鸛雀樓》。鸛雀樓在公元 1272 年毀於戰火,其高度已無從可考,現在的是 2002 年重修而成。我們不妨拿這座高 共九層的新鸛雀樓來計算一下。為了方便,假設鸛雀樓的一層和地平線平行,而其餘每層都等高,第九層的房頂也計入整個樓的高度。

    這時平均每層高 ,加上之前一個正常成年人的視線高度( )。我們可以得到,當一個人站在第 層的時候,他的視線離地面的高度為:

    這個高度就是上一部分計算地平線離我們有多遠公式 中的 。代入則有:

    將 及 代入,可得:

    其中 是樓層數,而 和前文中例子提到過的含義一樣,表示在當前樓層上站著的人可以望到的最遠距離。每當我們「更上一層樓」的時候,視野範圍都會擴大若干公里,但擴張的速度卻越來越慢。

    如果認為詩中的「千里」就是 ,根據之前的公式,把 代入可以算出:。也就是說我們需要上到

    層高的樓,才可以「窮千里目」(這裡是一個簡化計算,沒有考慮光的折射問題)。要是真有這樣的一座高樓,它的樓頂距離地面足足有公里——這是飛機通常飛行的高度,也是臭氧層濃度最高的地方。

    這樣看來,想要「窮千里目」,古人們只能想想了,而我們則可以坐上飛機,一飽眼福。當然了,如果實際去觀測就會發現,雲層的遮擋和能見度的極限,是阻礙我們看得更遠的最大障礙。不過要是能站在地球之外,情況又會變的不一樣。下圖就是義大利人 2011 年 9 月 10 日利用高空氣球飛昇到接近 萬米高空拍到的畫面,此時的地平線已然是一條明顯的弧線,俯瞰這個星球,風景當真很是不錯。順帶一提,在完成了這個光榮使命後,這個氣球也英勇就義,化作了碎片。

    而如果你的目標更遠大——想要看到半個地球的話,那還是趁早打消了這個念頭吧。因為只有在無窮遠點,才能夠看到完整的半個地球。而很顯然,無窮遠點實際並不存在。

    彎彎的地面彎彎的橋

    地球是圓的,大地是彎的,在地面 上的建築物自然也都是彎曲的。一般的高樓大廈,因為底面積比較小不易察覺。但是對於跨度較大的建築,例如大橋來說,這種彎曲則是非常明顯的,也是需要在設計過程中考慮進去的。

    金門大橋是美國舊金山一座非常有名的大橋,它的南端連線舊金山,而北端則連線著加州的馬林縣。這座橋有兩個橋墩,整個橋的結構如下圖所示:

    圖中 為橋墩的高度, 為兩個橋墩在地面高度上的跨度。因為地面是彎曲的,所以對於這座大橋來說,兩個橋墩所在的直線事實上並不平行。如果我們將這兩個橋墩一直延伸到地心,可以得到下面這張圖:

    在這張圖裡,兩個橋墩的延長線會交於地心,產生 的夾角。圖上有兩個扇形,我們根據這兩個扇形可以得到兩個弧長公式: 以及 ,

    整理可得: 。

    將,,以及代入,很容易算出: 。

    也就是說,金門大橋兩個橋墩的上端間距比下端間距要大了 4.62 釐米,這正是地球圓、大地彎導致的。

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