03.01 人造卫星绕地球运行至少要达到第一宇宙速度,可为什么看着火箭发射时的速度看上去貌似很慢?

艹执云


相信很多人有同样的疑问吧?

第一宇宙速度不是要求最小发射速度不能小于7.9 km/s吗?看火箭刚刚升空时的速度,跟这个速度比,简直就是乌龟爬行。

实际上这是因为名称而带来的误解。

第一宇宙速度所要求的速度并不是升空速度。任何运动的物体,速度都是从0开始的,想瞬间达到7.9 km/s怎么可能,即便可能,火箭的超大负荷也会让火箭瞬间解体的。

第一宇宙速度是指飞行器发射升空之后,在没有其它任何作用力的情况下,它能绕着地球转起来的最小速度。如果小于这个速度,它所产生的离心力就不足以抵消地球的引力,使飞行器最终坠入大气层烧毁。

越是接近地球,飞行器的速度会越快,因为要克服的引力就越大。

与之类似的, 第二宇宙速度10.848 km/s,指的是,航天器要挣脱地球引力,飞向地球外太空时,需要的最小速度,第三宇宙速度16.7 km/s,就是航天器要挣脱太阳系引力,飞翔浩瀚宇宙的最小速度。当然还有第四宇宙速度 110~120km/s,它是指我们想飞出银河系,飞向河外星系时需要的最小速度。

火箭在升空过程中,进行的是一种匀加速运动,速度提升的非常之快。一般来说,低轨道卫星,发射只需要600秒的时间就能把卫星送入绕地轨道。

想想加速度有多快吧?

为了达到上面的各种宇宙速度,航天火箭一般都需要很多级燃料。人类历史上出现过庞然大物“土星五号”火箭(美国登月用的),就有5级燃料,它第一次发射是在1967年,至今“火箭一哥”的地位仍然无人撼动,即便是space X的重型猎鹰,与它相比也只能甘拜下风。

土星五号

科学重口味


很简单呀,因为达到第一宇宙速度的意思是最终达到第一宇宙速度,而不是一开始就达到第一宇宙速度呀。

火箭一开始是从零开始缓慢加速的,所以火箭刚刚从发射架上飞起来的时候速度是很慢的,但是不要忘了,火箭一直在向后高速喷射着气体,从而获得巨大推力,推动火箭,使其产生一个向前的加速度。

火箭整个加速的时间有多久呢?一般来说会有十来分钟的时间,并且随着火箭飞行高度越来越高、燃料逐渐用光,火箭受到的阻力越来越小、重量越来越轻,所以火箭的加速度是越来越大的。

而在不断的加速中,最终火箭的速度会达到足够的大小。下面这张图就是火箭在突破音速的瞬间。而最终火箭达到的速度是音速的20倍,所以是相当可怕的。

所以你就想,别说是火箭这么大的推力了,你踩着汽车的油门踩到底十几分钟,最后速度得有多少?


航小北的日常科普


天体物理是一门高深的学科,在高中时期,需要学习牛顿一二三定律。这几乎是天体物理的基础。

当年牛顿在思考万有引力定律时,传说被一颗苹果砸中脑袋,那么他有了一个思考过程,静止的苹果在万有引力影响下会下坠,扔出去的苹果会飞出去一段距离,依然会坠落地球表面,那么扔苹果速度很快时,最终会有一个速度,此时万有引力充当向心力,使苹果可以绕地球做圆周运动。

这个速度是7.9km/s。也就是第一宇宙速度。

第一宇宙速度不是广义上的卫星绕地球运转最小速度。它是一种在理想状态下,假定地球是圆的,表面没有空气阻力,卫星可以绕地球表面(可以想象成轨道没有高度,或者高度很小)运转的最小速度,低于这个速度,万有引力会把卫星拉到地面。

而现实中,由于存在空气阻力等因素,卫星若不消耗燃料克服阻力,就要飞到没有空气的高空。根据万有引力公式可知,轨道越高,卫星运作的速度越小。

当火箭发射时,化学燃料持续做功,此时卫星是受外力而飞行的,不符合上面的前提,不消耗燃料绕行地球,所以只要火箭能克服引力,不管多慢的加速度,卫星可以离开地球。

当到达预定轨道时,只要卫星速度满足前提,即可绕地球旋转。


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