爲什麼一定要達到第一宇宙速度才能脫離地心引力,慢慢飛也能離開地球啊?

夏雷圍脖


脫離引力是不可能的,這輩子都不會脫離的。

因為引力的作用是無限遠的。第一宇宙速度,和脫離地球沒什麼關係。第一宇宙速度,指的在地球表面,引力提供向心力,恰好使航天器做圓周運動的速度。如果軌道高度越高,環繞速度就可以越低。


比如國際空間站距離地面400公里,它的環繞速度大概在7.7公里每秒左右,小於第一宇宙速度7.9公里每秒。同步軌道衛星的速度更慢,大概3公里每秒,也遠小於第一宇宙速度。

航天器在太空是失重狀態,什麼是失重狀態?和名字恰好相反,失重狀態指的是隻受到重力。例如軌道上的航天器,或者急速下降飛機裡面的乘客,都是隻受到重力。

所以,第一宇宙速度和飛離地球沒關係,想要處於失重狀態,航天器在大氣層外關掉髮動機就是失重了。即使不在穩定軌道上,在拋物線上,也會有失重狀態,只不過會掉下來而已。

想要不借助動力還不掉下來,那麼在地球邊上速度速度就要大於第一宇宙速度。你慢慢飛上去也可以,但是沒動力就會掉下來。達到這個第一宇宙速度就可以關了發動機在地球邊上繞著飛了。


蛋科夫斯基


第一宇宙速度

又稱為環繞速度,是指在地球上發射的物體繞地球飛行作圓周運動所需的最小初始速度。要作圓周運動,必須始終有一個力作用在航天器上。其大小等於該航天器運行線速度的平方乘以其質量再除以公轉半徑,即F=(mv^2)/r,其中v^2/r是物體作圓周運動的向心加速度。在這裡,正好可以利用地球的引力,在合適的軌道半徑和速度下,地球對物體的引力,正好等於物體作圓周運動的向心力。


由於地球表面存在稠密的大氣層,航天器不可能貼近地球表面作圓周運動,必須在150公里的飛行高度上才能作圓周運動。在此高度的環繞速度為7.8公里/秒。

第二宇宙速度

第二宇宙速度(second cosmic velocity),亦即地球的“脫離速度”或者“逃逸速度”,是指在地球上發射的物體擺脫地球引力束縛,飛離地球所需的最小初始速度。將無窮遠處的物體的勢能記為0,則距離地心為r的地方,勢能為 -GMm/r,那麼在地表的待發射的物體勢能為 -GMm/R。

若要脫離地球的引力圈(即逃離地球),相當於要給該物體一定的動能來抵消它在地球表面的重力勢能 -GMm/R,恰好完全抵消時,即是逃離地球所需最小的速度:

第三宇宙速度

是指在地球上發射的物體擺脫太陽引力束縛,飛出太陽系所需的最小初始速度。本來,在地球軌道上,要脫離太陽引力所需的初始速度為42.1公里/秒,但地球繞太陽公轉時令地面所有物體已具有29.8公里/秒的初始速度,故此若沿地球公轉方向發射,只需在脫離地球引力以外額外再加上12.3公里/秒的速度。

第四宇宙速度

是指在地球上發射的物體擺脫銀河系引力束縛,飛出銀河系所需的最小初始速度。但由於人們尚未知道銀河系的準確大小與質量,因此只能粗略估算,其數值在525公里/秒以上。而實際上,仍然沒有航天器能夠達到這個速度。



兔肉菌


答案是:理論上,慢慢飛是可以飛出地球的,並不一定非要達到第一或第二速度。

首先要明白什麼是宇宙第一和第二速度。看了好多回答和評論,對於它們的解釋多數都是錯誤或模稜兩可的。宇宙速度是用萬有引力定律推算出來的一個理論值。航天器在地球表面以一定的速度水平發射,當超過某個值時,就可以在不消耗動力的前提下繞地球作圓周運動。這個水平方向的初速度就是第一宇宙速度。重要的事說三遍,是水平方向的速度,水平方向。水平方向,也就是正前方的意思,與地球引力方向垂直。當我們往斜前方拋一個物體,我們也可以對速度進行分解,分為水平方向和豎直方向。此處我們只關心水平方向的分速度。OK,繼續。當水平方向初速度高於第一宇宙速度後,航天器將以橢圓軌道繞地球運行。速度越高,橢圓越扁。直到,若水平方向初速度超過

第二宇宙速度,航天器將會飛出地球。

總結一下,在地球表面,理想情況下,給一個物體水平方向的初速度只有達到第二宇宙速度後,才可能在無後續動力補給的前提下飛出地球而不掉下來。請認真理解我說的每一個字。

所以,所有認為豎直往上拋一個物體,達到某個初速度就可以(無動力補給前提下)飛離地球的說法統統都是錯的!高中物理有一組經典的 “豎直上拋”公式。理論上不管我們用多大的速度,都不可能將物體通過豎直上拋拋出地球。h=v²/g,h是豎直上拋可以達到的最大高度,v是初速度,g是重力加速度。假設我們豎直上拋的初速度是20公里/秒,此速度已經高於宇宙第二速度了,帶入上述公式計算,得出最大高度僅僅才4萬公里。也就只有地球直徑的不到4倍。

再強調一下,我們豎直往上拋一個物體,即使超過了宇宙第二速度,也是不可能拋出地球的。而只有平拋或斜拋,才可能拋出地球。此時要求拋出時水平初速度高於第二宇宙速度(對豎直方向初速度反而不作要求)。

我們再來看看火箭和航天器是如何發射的。首先火箭豎直往上發射,達到一定高度後,改變方向,變成斜向上,然後將航天器平拋或斜拋出去,使其慢慢進入軌道。火箭使命至此完成。航天器繼續飛行。此時平拋或斜拋在水平方向的初速度就近似可以套用宇宙第一和第二速度的結論。由於它平拋或斜拋的位置不在地球表面,所以值略小於理論宇宙第一第二速度,不過基本可以忽略。那麼為什麼不在地球表面平拋或斜拋呢,非常簡單,因為有大氣的阻力,以及害怕對地表人類造成影響。

說了這麼多廢話,我們進入正題,討論一下,慢慢飛是否可以飛出地球。可以,但需要非常大的動力持續供應。當我們提出這個問題時,往往心裡就在假定,物體是以豎直飛行為主的。既然宇宙第一速度或和宇宙第二速度講的的是水平飛行,所以那些結論就不再適用於“慢慢飛”了。假如有持續的動力補給,我們是可以慢慢飛得離地球越來越遠的。一旦動力消失,而水平方向的分速度沒有超過一定數值,則會重新被地球拉回來,或者被太陽,月球或其它星球吸引過去。

現實世界,不可能有永遠不斷的動力補給。另外飛出地球,本身就是模糊的概念,多遠才算飛出?如果暫不考慮其他天體,即使飛到無窮遠處,動力消失後,也會被地球拉回來(除非相對地球公轉方向,即水平方向速度超過一定值)。相反宇宙第二速度就不同了。當水平方向超過宇宙第二速度後,即使永久斷了動力補給,也是可以永遠逃出地球的。即離地球越來越遠,越來越遠,不可逆轉。就是這麼神奇!

下邊再說的更實際一點,看看鳥兒或者普通飛機是否能夠飛離地球越來越遠。答案是不能。鳥和飛機都依賴空氣才可以飛。沒有空氣提供反作用力,就飛不動了。普通飛機最高一般就飛個3萬米(30公里)。再往上空氣很稀薄了,不可能再往上了。火箭則可以飛得更高。火箭和普通飛機有本質區別。普通飛機和鳥一樣,靠“翅膀”撲動空氣飛翔。而火箭可以在真空中飛行,它將自身的一部分(自身氣體)快速地往身後拋出,扔掉,從而取得反作用力。注意了,它的質量是慢慢降低的,它是靠犧牲自身質量獲得動力,而且必須如此!具體原因參考動量守恆。飛機則不是必須,比如電動飛機的質量就不會變。鳥兒也不會說飛著飛著就變輕了。顯然火箭不可能一直變輕,最後終究會變成0!所以不可能有永久的動力,哪怕是核能也辦不到。必須犧牲質量。這就是真空飛行必須遵循的鐵律。


犍為真人


我給你看兩張圖片你就明白了

你從地球上平拋一個物體,它總會落到地面上,但是你拋出的物體初速度越快,它落到地面上的距離就越遠,而地球是個球,總有一個初速度,能夠讓這個物體再也落不到地面,這個速度是7.9km/s,也就是第一宇宙速度。

所謂第一宇宙速度,其實是一個初速度,要知道速度是相對的,沒有絕對的速度,當一個物體相對地球的初速度達到第一宇宙速度的時候,它就可以圍繞地球旋轉。


你把一個物體以大於第一宇宙速度的速度平拋出去,你就可以看到這個物體會距離地面越來越遠,但是任何物體想要逃離地球的引力,都是需要能量的,你拋出的這個物體初速度雖然快,但是它要逃離地球引力,就必須會損失速度,當它的速度越來越慢之後,就會慢慢又被地球的引力吸引回來,但是在回到地球表面的時候,它的速度就又會回到你拋出它的時候的速度,所以當物體的初速度高於第一宇宙速度,低於第二宇宙速度(11.2km/s)的時候,這個物體就會圍著地球一個橢圓形的軌道旋轉。


隨著你拋出物體初速度的增大,總有一個值,你拋出之後地球再也沒有能力把它拉回來,這個值是11.2km/s,也就是第二宇宙速度,這就是地球的逃逸速度

我發現很多朋友問如果一個物體垂直於地面向上運動會怎樣。

首先,如果這個物體有一個向上的推力,而推力大於重力,那這個物體一定會加速上升,不過這種情況在現實生活中是幾乎不可能實現的,因為與地面的距離越大,空氣會越稀薄,獲得動力的難度會越來越大,在真空環境中要想獲得推力是非常困難的。之所以空氣越稀薄,獲得推力的難度就越大,是因為力的作用永遠是相互的,一個物體想要產生向前的推力,就必須有另一個物體產生向後的力相互抵消,魚把這個力作用在水上,飛機把這個力作用在空氣中,而太空中的火箭周圍是真空,它就必須自己製造有質量的物體,然後把這個力施加給這個物體,一般情況下,就是燃料與助燃劑燃燒產生的氣體,而這個氣體總會用完的,所以在太空中想要獲得推力是很難的。

其次就是物體具有一個初速度,在不考慮空氣阻力,地球自轉慣性等等一系列無關因素的情況下,能否逃逸出地球引力。這個答案是可以的,而初始速度的最小值,也是第二宇宙速度(11.2km/s)。其實這個道理很簡單,

無論是圍繞地球做橫向運動,還是垂直於地球運動,物體的質量一定,初速度一定,物體的動能就一定,而物體上升是將動能轉化為重力勢能,上升的高度一定,所需要的動能也就是一定的,所以無論是橫向運動還是垂直運動,逃逸地球所需的初速度都是第二宇宙速度


Ciel0422


先給出答案:慢慢飛不僅可以飛出地球還可以飛出太陽系,但是這裡有個前提,慢慢飛是在燃料發動機持續提供動力的情況下,並且需要有一個垂直向上的速度。相信我這麼說很多人就反對了,反對者都認為速度沒有達到第一宇宙速度是飛不出去的,這都是高中學過的!這樣認為肯定是沒有弄清楚第一宇宙速度的意思,第一宇宙速度的前提是隻提供一個速度,而沒有持續提供動力的情況下,打個比方在地面上向遠處發射一枚導彈,導彈的速度越快飛行距離越遠,當導彈的速度達到7.9 千米/秒時,導彈就不會再跌落到地面,而是繞著地球做勻速圓周

運動。第一宇宙速度和慢慢飛最大的區別是一者沒有提供持續動力,另一這者是有持續提供動力的。

慢慢飛哪怕是1米每秒都可以,但是前提是發動機提供的動力必須要抵消地球的引力和空氣阻力(引力就是物體所受到的重力,航天器做勻速圓周運動的引力就是向心力),反對者想到了地球的引力使物體做曲線運動,這樣是飛不出去的,但是使得地球做曲線運動的力是引

力,引力已經被髮動機抵消了。我們高中都學過受力分析,一個物體受到三個力一個是引力,一個是發動機產生的推動力,還有一個是空氣的摩擦力,千萬別和我說還有重力和向心力。這三個力在平衡的情況下,航天器向上以1米每秒的速度勻速飛行,這是完全可以做到的!這裡我們只考慮理想狀態,航天器自身的燃效消耗重量降低還有地球的引力逐漸減小還有空氣逐漸變得稀薄空氣阻力減少這種情況,我們都視為三者受力平衡,本質上不會對問題結果的判斷起到影響。

估計很多人有疑問,那為什麼登月還需要第一軌道第二軌道逐漸登陸,不能直接慢慢飛行嗎?理由有兩點,第一是之前提出的慢慢飛行是將飛行狀態理想化了,實際操作會遇到很多問題。第二就是慢慢飛,等飛到了黃花菜都涼了,效率太低。


科學薛定諤的貓


實際上,這種問題甚至用不著用“宇宙第一速度”來解釋。

簡單舉個我們生活中經常遇到的問題,你騎自行車遇到一個上坡路,你會怎麼辦呢?

正常情況下都會在距離上坡還有一段距離就開始加速,這樣上坡會很輕鬆,而且如果速度足夠快,你在上坡的過程中甚至不用蹬自行車(給動力),你也能輕鬆上坡!

當然,如果遇到特殊情況,比如你騎到上坡路時才發現有一段上坡路,或者你刻意在上坡路前速度為0時才開始上坡,你會發現需要很大的力氣才能上坡,甚至你根本上不了坡,直接倒回去了!

這個道理7歲小孩子恐怕都懂得吧!

而離開地球引力也是同樣道理,只是把上坡路的坡度(比如說,坡度是30度)換成了90度而已!兩者本質上是一樣的,都是要努力擺脫地球引力!

連7歲小孩子都明白的問題,科學家們怎麼能不明白?

第一宇宙速度是在地球表面給物體一個速度(7.9千米每秒),之後不用再給任何動力它就能繞地球飛行(不考慮空氣阻力),這就類似於給自行車足夠速度之後就能直接上坡。而問題中所說的慢慢飛就相當於你上坡是慢慢騎,必須一直給動力才行,一旦沒有動力甚至給予的動力不足,就會掉落地球(倒回下坡)!

而慢慢騎自行車上坡有多費勁想必大家都清楚吧!


宇宙探索


我記得《三體》裡面說三體運動的時候,有一段話很有意思。大意是這樣:

閉上眼睛想象,沒有外力的作用下,最簡單的是隻有一個物體,這個物體要麼禁止,要麼勻速運動。

其次的是兩個物體,如果這兩個物體最開始是靜止的,那麼這兩個物體會在引力作用下互相接近,最總碰撞在一起,變成一個物體;而為了讓這兩個物體不至於最後撞在一起,物體必須要有一定的速度,而且這個速度關係基本上是穩定的、可預測的。

↑雙星運動↑

實際上,這個問題裡面的情形也是這樣的。確實,如果只是把一個物體送到某個高度,比如說送到10公里的高度,其實不需要任何速度上的要求。因為現在還在大氣層內,所以找個熱氣球,把東西放進去,然後讓他慢慢飄到空中就行了,速度什麼無所謂。

而這個物體維持在空中,靠的是空氣浮力作用——空氣浮力與地球引力互相對抗,保持這個物體在空中。

但是,如果是在太空呢?要知道,太空的真空環境裡面想要保持一個力與地球引力對抗,這個就很為難了。現有的比較實用的方法,就是在太空真空中可以通過氣體噴射的反衝作用獲得一個力,但是這種推力產生的方式有兩個致命的弱點:1,推力不大,很難說可以跟衛星受到的地球引力平衡;2,推力維持時間非常短,因為這種推力產生的方式跟攜帶的燃料量有關,而衛星本身不可能攜帶太多的燃料,所以不可能長時間提供推力與地球引力平衡。

所以我們可以把衛星用很緩慢的速度推到到某個高度,但是下一步,衛星就會在引力作用下墜落回地球表面。

那該怎麼做才能夠讓衛星和地球最終不至於撞回到一起呢?

答案就是,速度。所以就用火箭把衛星加速到一個速度就行了,這個時候衛星的離心力就可以與重力平衡。並且理論上說,一旦加到這個速度、進入合適的軌道,衛星就會永不墜落(當然,實際上因為在地球周圍的太空中還是有稀薄的空氣並且產生空氣阻力,導致衛星的軌道會不斷下降)。顯然,這個辦法是一個非常實用的做法。

甚至於,我們不需要火箭來給衛星加速,只要用一門足夠強力的大炮,就能夠把衛星送到合適的軌道,讓它穩定運行很長一段時間。比如說加拿大1960年代的傑拉德爾·布爾(Gerald Bull)博士主導研製的一種能夠發射人造衛星的超級大炮。

↑衛星大炮還有它的設計者↑


SilentTurbine


正確理解第一宇宙速度就不會有此迷茫

第一宇宙速度實際上是個理性條件下的速度,就是一個物體在地球表面繞地球環繞運動的初速度達到7.9km/s時,無需額外的動力,這個物體就可一直環繞飛行不會落到地面。誇張的說法就是李雲龍的意大利炮在水平方向打出的炮彈的初速度達到7.9km/s時,這個炮彈就成為了一個地球炮彈衛星繞著地球轉啊轉不會落下來。但是地球近表面有濃稠的大氣,所以在空氣阻力的作用下,跑斷受阻速度下降而最後落在地面。因為,各國發射的衛星都是要在離地球120KM以上的地球軌道。

衛星發射的速度和第一宇宙速度的關係

以前對第一宇宙速度的理解是火箭發射時要達到7.9km/s,但是,咱看過各種發射載人航天和衛星發射活動中,運載火箭在開始都慢悠悠的上升而後速度再逐步增大的啊!個人覺得這是“發射速度”的學術名詞引起的誤會!估計很多非專業的網友想到發射速度第一時間想到的是火箭發射的速度,然鵝火箭發射的速度再電視直播中並不是那嗖嗖的7.9km/s。衛星發射時,運載火箭開始垂直升空,速度從0慢慢加速,而後火箭會慢慢調整姿態,而後在地球的切線方向星箭分離釋放衛星,這個時候火箭的速度要達到第一宇宙速度,所以,

所謂的發射速度是指星箭分離時釋放的衛星的初速度。這樣衛星就不用動力即可繞地飛行。

那麼回到問題,只要你能保持升空的速度(怎麼保持那就是題主的事了),多慢都行哪怕是0.1米每秒,最後你都會離開地球,這就和所謂的第一二三宇宙速度沒有關係了。


柳小慶


施鬱

(復旦大學物理學系教授)

首先需要糾正一下題目中的概念問題。 擺脫地球引力所需要的初始速度不叫第一宇宙速度,而叫第二宇宙速度。 不管第幾宇宙速度,有個前提條件,就是物體除了受到地球引力外,不受其他力,物體沒有其他的動力!或者說沒有其他的能源提供能量。

在這種情況下,如果在垂直於地球半徑的方向的初始速度達到第一宇宙速度,那麼它就不會落回到地面上,而會繞著地球轉動。就是說,地球對它的吸引力正好提供它的向心力。如果從物體參照系上來看,地球對它的吸引力正好與速度導致的離心力抵消。

如果物體的初始速度如果達到第二宇宙速度,那麼物體可以擺脫地球的束縛。為什麼呢?足夠大的初始速度意味著足夠多的初始動能。隨著距離地心越來越遠,引力勢能越來越大(實際上是絕對值越來越小,但是引力勢能是負的),也就是動能不斷轉化為引力勢能。那麼,到距離地面一定距離的時候,動能就會消耗殆盡,全部轉化為引力勢能。如果這個距離不夠遠,那麼物體就會落回地面。如果到達無窮遠才速度變為零,就意味著物體就擺脫了地球的引力。

在實際中,還有太陽。上面的討論忽略了太陽的引力,其實是說太陽對物體的引力基本保持不變。所以物體始終還受到太陽的引力,所謂“離地面無窮遠”其實不是真正的無窮遠,相對太陽來說位置變化仍然很小。可以將上面的討論用於物體和太陽,就可以知道,物體速度達到更大的速度,即所謂第三宇宙速度時,就會擺脫太陽的引力。

如果如問題所述“慢慢飛”,實際上就必須源源不斷地給物體提供能量,那是可以離開地球的。


物理文化與施鬱世界線


這個問題本身就是問題,脫離地球引力的最小速度不是第一宇宙速度7.9km/s,而是第二宇宙速度11.2km/s。第一宇宙速度是將物體發射出去,它不會落回地面的最小發射速度,但繞地球運動還是受到地球引力的,要脫離地球引力,發射速度還要更大才行。

回到問題上來,如果將火箭慢慢發射出去,火箭能不能升高到足夠高度而不落回地球呢,理論上是可行的,前提是火箭有足夠多的燃料,多到用不完。經過理論計算,只要物體速度達到第一宇宙速度,或者說以第一宇宙速度將物體扔出去(忽略空氣阻力的影響),那麼它將不會再回到地面而繞地球作勻速圓周運動,即便不燃燒燃料不提供動力,它在軌道上也能永遠運動下去,靠的就是地球引力。所以,理論上,衛星在軌道上高速運動時,是不需要消耗燃料的,但由於空氣阻力影響,衛星會越來越靠近地球,軌道半徑會減小,需要修正軌道,這時就需要消耗少部分燃料了。

實踐中,如果要將衛星發射到更遠的太空,脫離地球引力,在燃料有限的條件下,就需要物體沿拋物線軌道發射出去,要到這個軌道運行,最小速度必須是第二宇宙速度。


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