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飞行中的科学 惯性的引导
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惯性制导系统能使飞机在没有GPS这类外部信息来源的情况下确定飞行的方位，而这里的关键词就是“惯性”。它与运动中的物理学有关，并时常给人带来困惑。想象一下溜冰场上有一个很重的东西，比方说大象。你穿了一双抓地力很强的靴子。虽然大象在冰面上受到的摩擦力远远小于在地面上的摩擦力，想要推动它，你还是得费一番工夫。而大象一旦开始滑动，光靠你的几根手指是无法拉住它的——似乎有某股力量推动大象不停地向前滑去，这股力量就来源于惯性。
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有趣的是，决定物体惯性的是它的质量（mass），而不是它的重量（weight）。我们经常互换使用“质量”和“重量”这两个词，但是，它们是两个不同的概念。物体的质量是其与生俱来的一种属性，无论处于地球表面，还是月球表面，或是飘浮于宇宙中，它的质量不变。物体的质量决定它受力时的加速度。对不同物体施以同样大小的力，获得加速度大的物体质量小。
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另外，重量代表了引力对物体的影响。因此，你在地球上的重量是月球上的6倍，而在太空中，你的重量则有可能为零。碰巧的是，在地球上物体的重量等于它的质量。其实，这不是巧合，这个现象反映了质量的单位的本质，在地球引力下，重量和质量是等值的，但是度量单位不同。
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由于物体的惯性是由其质量决定的，因此，无论是在地球上还是宇宙中，同一物体的惯性不变。假设一辆卡车以时速59英里在太空中运动，同一辆车在没有动力的情况下以相同的速度在地球上运动，如果要使它停下来，在太空中所费的功夫和地球上的是一样的。事实上，从某种程度上来说，在太空中费的功夫还要更大些，因为从理论上来说，太空中的摩擦力可以忽略不计。因此，无论你对卡车施多大的力，它都停不下来。在没有摩擦力的太空中，就算超级英雄出场，他们也无法阻止撞向地球的流星或小行星。
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惯性让人困惑的另一个原因在于它本身并非是某种力。牛顿第二定律告诉我们（见第41页）使某物加速或减速的力等于它的质量乘以你想要使它获得的加速度。在这样的外力作用下，惯性就产生了。惯性不是突然冒出来的神秘力量。
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飞行中的科学 追踪飞机在空中的位置
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那么，惯性又是怎样帮助导航系统追踪飞机的位置呢？首先，大多数惯性制导系统（INS）会通过GPS确认飞机当前的位置和速度。然后测出飞机加速和减速，以及角加速度（旋转加速度），这些数据能帮助人们追踪飞机从初始点开始的方位。INS的优点在于即便在无线电通讯中断，飞机无法和GPS或导航信标取得联络的情况下，它也能测量出飞机的运动参数。在通讯中断时，INS能够不间断地标示出飞机准确的位置。
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人们通过不同的测量装置获得两种不同加速度的数值。加速度计是用于测量平移运动加速度的。加速度计在手机和游戏操作手柄中的应用使之为大众所熟知。游戏者只要手持Wii的手柄，就可以通过自己的动作控制屏幕上的游戏，iPhone手机的屏幕能随着你变换的姿势旋转，而这些都离不开加速度计。
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加速度计的工作原理和引发爱因斯坦广义相对论的灵感是同一个东西。我们已经了解了狭义相对论，它告诉我们物体运动得越快，它就变得越重，体积缩小，而时间也会为它慢下来。广义相对论讨论的是重力和速度，GPS卫星上的时钟就是一个很好的体现（因为重力越大，时间就走得越慢，而卫星受到的重力远远小于我们在地球上受到的重力）。
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飞行中的科学 加速度对爱因斯坦的启发
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某天，爱因斯坦坐在他伯尔尼专利局的办公室里胡思乱想，一个想法突然闯入他脑海，这个想法后来成为了广义相对论的理论基础。爱因斯坦认识到，自由落体中的人是无法感受到自己的重量的。如果你看过“呕吐彗星”（vomit comet）的视频，你就会明白这一点。呕吐彗星是一架飞机，它冲上高空后急速下降，让舱内乘客体验瞬间失重飞行。如果你想了解更长时间的失重，就看看那些绕着天体轨道飞行的人们吧——比方说，国际空间站里的宇航员。他们飘浮在空中，仿佛轻如尘埃。
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你也许认为这不是一个有说服力的例子，因为空间站是不会下落的。不过事实上，它也在下落。任何绕地球轨道飞行的物体都在下落，不过，它们总是与地球擦肩而过。国际空间站在离地球300千米～400千米之外的轨道中运行，在那儿，地球的引力很小，不过也绝不是零重力。（如果重力为零的话，那离地球更远的月球就会偏离现有的运动轨道了。）但是，像国际空间站这样的轨道卫星保持了一种微妙的平衡。它一边以自由落体的方式朝地球下坠，一边又以足够快的速度向侧面运动（与地球相切的方向），因此，它总是与地球擦肩而过。如果侧面运动的速度太快，空间站就会脱离轨道，飞入太空。如果速度太慢，则将坠回地球。不过，如果速度不快不慢，刚好达到轨道速度，那它将永远环绕着地球转动。
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轨道模拟器
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做这个实验，你需要一副耳机（如果没有，你也可以用一个不重的小物体来代替，将它与绳子一头绑在一起）。握住耳机线的另一头，使耳机位于离你两掌距离之外的地方，然后转动电线让耳机旋转起来。
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这和空间站原理相同，只不过在上面那个实验中，耳机线充当了重力的角色，而重力本身是无形的。耳机（空间站）试图脱离电线的控制，如果没有电线，它将沿着与电线成90度角的直线飞出去。但是，一种从圆心沿着电线朝着耳机方向的力（重力）将它拉了回来，使它沿着特定轨道运动。注意，这里不存在一种向外拉的力（离心力）（centrifugal force）。而这种由耳机沿着电线指向圆心的向心力（centripetal force）阻止了耳机沿着与电线相切的方向飞出去。
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爱因斯坦在办公室里思考着重力，他意识到物体的加速度（物体下坠的速度逐渐加快）等于它受到的重力的影响。这种“等效原则”是双向的。重力场与以适当加速度运动的参考系是等价的。等效原则是整个广义相对论的核心，这意味着光在引力作用下会发生弯曲偏折。试想一下一束光是怎么穿过加速中的太空飞船的。
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