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第一宇宙速度為每秒7.9千米,達到這個速度才能離開地球嗎?不是

科學(xué)信仰
原創(chuàng)
泛科學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)作者??茖W(xué)是一種規(guī)律,信仰是一種態(tài)度。
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第一宇宙速度為每秒7.9千米,它還有著另外一個名字,就是“環(huán)繞速度”。

顧名思義,一個物體只要具備了每秒7.9千米的初始速度,便可以成為地球的衛(wèi)星,環(huán)繞地球運行而不會掉落。不過你可不要以為我們所發(fā)射的每一顆人造地球衛(wèi)星都是以這個速度發(fā)射升空的。第一宇宙速度的概念最早源自于牛頓的一個假設(shè),這個假設(shè)是這樣說的:在地球上向水平方向發(fā)射一枚炮彈,如果這枚炮彈的速度足夠快,那么它將環(huán)繞地球運行而永不落地。這個假設(shè)名為“牛頓大炮”,而炮彈與火箭是有著本質(zhì)區(qū)別的,炮彈是沒有后續(xù)動力的,所以它只有具備了足夠快的初始速度才能夠進入地球軌道。

火箭利用向后噴射物質(zhì)所產(chǎn)生的反作用力向前推進,所以理論上來講,如果一枚火箭擁有源源不斷的動力,那么不管它飛得多慢,最終都能夠進入地球軌道。

當(dāng)然,這只是理論而已,現(xiàn)實之中的火箭因為是化學(xué)動力的,燃料已經(jīng)占據(jù)了火箭絕大部分的重量,所以還是要盡量提升速度才能夠?qū)⒑教炱魉蜕咸?。那么第一宇宙速度到底是如何計算出來的呢?現(xiàn)實中的火箭速度又需要達到多快呢?當(dāng)一個人造衛(wèi)星圍繞地球運行的時候,實際上是在進行一個向心運動,而支持這個向心運動的向心力其實就是萬有引力,既然如此,我們就可以列出向心力的表達式,即:G=m(V∧2/R)。

G=M(V∧2/R),其中G就是向心力,也就是萬有引力常數(shù),m是人造衛(wèi)星的質(zhì)量,R是地球的半徑。

相比地球而言,人造衛(wèi)星的質(zhì)量是非常小的,基本可以忽略不計,所以按照這個公式就可以計算出速度V為7.9km/s,這就是第一宇宙速度。第一宇宙速度是相對于地心而言的,而地球本身是存在著一個自轉(zhuǎn)的,所以在發(fā)射航天器的時候可以利用地球的自轉(zhuǎn)速度,如此則能夠更加省力。地球作為一個球體,不同位置的自轉(zhuǎn)線速度是不同的,赤道地區(qū)最快,自轉(zhuǎn)線速度大概為460m/s,這意味著在赤道地區(qū)發(fā)射火箭只需要達到7.4km/s的速度就可以了。

因為在赤道地區(qū)發(fā)射火箭可以最大程度的借力,所以世界上很多國家都會選擇在靠近赤道的地方建造發(fā)射基地,比如我國的海南文昌發(fā)射基地,而我國的長征系列火箭發(fā)射速度就在7.5km/s左右。

達到了第一宇宙速度就可以環(huán)繞地球運行,那如果超越了第一宇宙速度呢?如果一個物體的運行速度剛好等于第一宇宙速度,那么理論上它將以近乎于圓形的軌道環(huán)繞地球運行,而當(dāng)這個物體的速度超越了第一宇宙速度時,它的環(huán)繞軌道就會趨向于橢圓,而且速度越快,這個橢圓就越橢。如果這個物體的運動速度達到了一個閾值,那么它就能夠徹底擺脫地球的引力束縛,這個閾值就是第二宇宙速度。

物體的運動速度一旦達到了第二宇宙速度就可以脫離地球,所以第二宇宙速度又被稱之為“脫離速度”。

第二宇宙速度是多少呢?第二宇宙速度的推導(dǎo)就要復(fù)雜一些了,我們省略這個過程,直接給出公式,即V=√2GM/R,這個公式中的G依舊是萬有引力常數(shù),M為地球質(zhì)量,R為地球半徑,計算一下就能夠得到V=11.2km/s的結(jié)果,這就是第二宇宙速度。一個物體達到了第一宇宙速度就可以成為地球的衛(wèi)星,如果達到了第二宇宙速度就可以成為圍繞太陽運行的行星,那如果想要沖出太陽系行不行呢?當(dāng)然也行,這就需要達到第三宇宙速度了。

第三宇宙速度的推導(dǎo)過程就更加復(fù)雜了,我們還是直接給出公式,即V=√2V(地)。

這個公式中的2V(地)就代表了地球環(huán)繞太陽的公轉(zhuǎn)速度,這個速度約為每秒30千米。這個公式是以太陽作為參考系來進行計算的,而我們所說的第三宇宙速度是以地球作為參考系而言的,所以我們還必須要減去地球本身的公轉(zhuǎn)速度,于是公式就變?yōu)榱薞=(√2-1)V(地),所得到的結(jié)果就是16.7km/s,這就是第三宇宙速度。太陽系只是宇宙中一個普通的恒星系,在此之外還有著很多更大的宇宙結(jié)構(gòu),所以在第三宇宙速度之外還存在著第四、第五等等宇宙速度,只是以我們現(xiàn)在的能力還無法計算,因為我們根本無法確定更大宇宙結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

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評論
莫非123
太師級
想象一下,沒有引力地球會分散成很多小塊,你就隨著那些亂七八糟的東西一起飄向太陽。
2022-06-02
坦 蕩 蕩
少師級
現(xiàn)實之中的火箭因為是化學(xué)動力的,燃料已經(jīng)占據(jù)了火箭絕大部分的重量,所以還是要盡量提升速度才能夠?qū)⒑教炱魉蜕咸臁?
2022-06-02
發(fā)光的晶晶
太傅級
火箭利用向后噴射物質(zhì)所產(chǎn)生的反作用力向前推進,所以理論上來講,如果一枚火箭擁有源源不斷的動力,那么不管它飛得多慢,最終都能夠進入地球軌道。
2022-07-10