03.04 如果以一個低於第一宇宙速度但能飛起來的速度,持續向地球外飛行,能脫離地球引力嗎?

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第一宇宙速度

關於這個問題,我們要搞懂第一宇宙速度到底是什麼,具體的數值是多少。

實際上,我們高中都學過想要擺脫地球的引力,至少需要的是第二宇宙速度。地球的第二宇宙速度是11.2km/s,而第一宇宙速度是7.9km/s,而從地球出發想要擺脫太陽引力的最小速度叫做第三宇宙速度,是16.7km/s。

那這個第一宇宙速度是咋來的呢?

其實特別簡單,就是假定人造飛行器繞著地球表面做圓周運動,通過“萬有引力=向心力”,聯立公式,就可以求得第一宇宙速度v1。(這裡設地球的質量M,地球半徑R,人造飛行器的質量m,G是引力常數,g是重力加速度。)

然後把地球半徑數值和重力加速度常數帶入就會得到7.9km/s,從整個求解過程,我們應該知道的是這裡設定的是飛行器貼著地球表面在飛行,實際上,要達到什麼樣的預定軌道還需要不同的半徑取值。

所以,按照這個邏輯,如果一個飛行器的速度低於第一宇宙速度飛行,也就是低於7.9km/s,能擺脫地球的引力麼?

這其實要具體問題具體分析,一共分兩種情況:

  1. 有持續的動力輸出,維持速度。
  2. 只有一定的初速度,或者達到一定速度後就停止加速。

持續的動力輸出

如果一個飛行器可以有持續輸出動力,保持一定的速度飛,那它就是可以飛出地球的,並且擺脫地球引力。因為要擺脫地球就要消耗能量,只要消耗足夠的能量,飛行器就可以離開地球的引力場,這一點也不算複雜。不僅如此,飛出太陽系都不是什麼問題。這也就是為什麼飛機即使遠遠達不到第一宇宙速度,它也可以一直飛。(如果一直有油的話)

當然,持續的輸出動力在實際操作中是不可能的,這意味著要帶無限多的燃料,但燃料本身也佔一定的重量,因此,基於系統複雜度等情況,火箭大多都是2-4節的,基本上不會超過5節,而它們執行任務也只是推進到一定的速度條件就不再持續輸出動力了。

所以,更常見的其實是第二種類型:具有一定的初速度,或者達到加速到一定速度後就停止加速。那這種情況下,低於第一宇宙速度還能擺脫地球的引力麼?

牛頓大炮

想要了解這個問題,我們可以從牛頓思考萬有引力的路徑來思考這個問題。首先,我們要確定一點,儘管看來很平,但那地球就是球形的,這就意味著大地其實是彎曲的。如果我們擁有一雙“千里眼”,意思是我們可以看到無限遠,那麼我看到的大地就是向下彎曲的。也就是下圖的圖二的情況,而不是圖一。

那這有為什麼問題呢?假設你有個理想的大炮,然後你站在北極。那麼如果你舉起一個炮彈,然後鬆手,這個時候,炮彈就會原地掉落在地面上,就像下圖中的情況這樣,說白了就是來了一把自由落體。

如果,你使用大炮來打炮彈,這個炮彈打出去之後的速度是小於第一宇宙速度(7.9km/s),那麼會咋樣呢?

會像下圖所示的那樣,最後掉到地面上,只不過會距離初始位置有一定的距離。那為什麼會這樣呢?

我們可以對這個運動進行拆解,把它看成是一個平拋運動。水平方向其實就是炮彈的速度,而豎直方向這是在地球引力的作用下的自由落體運動,像下圖這樣。

但是在地球上的情況和上圖唯一不一樣的是,大地不是平的,而是曲的,而且還是向下曲的。這就意味著,地面也是向下移動的。但是呢,飛行器向下的速率比地球表面向下的速度要快,於是,就會最後掉到地面上。因此,低於第一宇宙速度是不可能飛出地球的,連繞著地球運動都做不到。

那要如何才能呢?

這時候我們把炮彈的速度調節到第一宇宙速度,這時候,豎直方向上,雖然還是在地球引力作用下向下落,但是飛行器下落的距離恰好和地球表面下降的距離是相等的。於是,就會出現飛行器繞著地球轉的情況。

這也就是為什麼第一宇宙速度下,飛行器可以貼著地球表面飛行的原因。(這裡其實運用了理想模型的,實際上地球並不是一個完美的球形。)

那如何才能擺脫地球的引力呢?

其實還是可以繼續使用整個思路,我們繼續給炮彈加速,整個速度加到第二宇宙速度甚至更大一下,這時候速度串出去特別遠,而豎直方向著只運動的一點點,地球表面下降的速率遠遠高於炮彈豎直方向上下落的距離,這個時候就能夠擺脫地球的引力,離開地球。(當然,實際上,更加嚴謹推理的過程是從能量的角度去著手的,這裡只是介紹一下牛頓思考萬有引力的思路。)

所以,要求飛行器達到什麼樣的速度,並不是隨便來的,而是非常嚴謹的推導過程,而要擺脫地球引力,就至少需要達到第二宇宙速度11.2km/s。這裡在補充一句,其實這是在地球上發射飛行器的結果,對於不同的天體,就有不同的宇宙速度,和地球是不一樣的。

因此,持續加速的話,是可以擺脫地球引力的,但如果只是加速到一定速度後就停止加速,並且這個速度低於第一宇宙速度,那就無法飛出地球,更不要說擺脫地球引力了。


鍾銘聊科學


問題先放一放,舉一個通俗的例子就什麼都明白了!

相信大家都騎過自行車,當我們騎行車上坡時,會怎麼做呢?一般都會提前加速,這樣就更容易上坡。難你想過沒有,到底為什麼提前加速就能更容易上坡呢?

很簡單,就是給自行車一個初速度,而且如果這個初速度足夠大,上坡的過程中甚至不需要蹬自行車,移動就可以上坡了!

但如果你上坡前沒有加速,也就是速度為零時開始上坡,是不是就意味著上不去坡了呢?

也不是,只要你力氣足夠大,並且一直用力蹬自行車,也能上坡,但可以想象,這種方式有多麼困難!一般人也不會選擇這種方式!

我們騎自行車遇到的坡度一般不會太大,很少有超過60度的!但現在假設一下,如果坡度達到90度,意味著什麼呢?

不就是相當於直接坐火箭升空離開地球嗎?

明白了上面的思想實驗(其實很好理解,畢竟我們都騎過自行車),就知道火箭想要離開地球時為何要提前加速了,不加速行不行?

當然也行,即使火箭以1米/秒的速度飛行也能離開地球,當然就像速度為零騎自行車上坡那樣,如此發射火箭離開地球難度有多大可想而知,這個過程中必須一直給火箭施加非常強大的推力,而且一旦推力消失了,火箭就會隨時墜落到地球上!

而如果給火箭一個足夠快的速度,比如第二宇宙速度11.2千米每秒,就可以脫離地球引力,最重要的是一旦達到了這個速度,就不需要再給火箭任何額外推動力了,就相當於騎自行車上坡時提前加速之後不需要再蹬自行車也能上坡!


宇宙探索


這個問題我來回答吧,不知道有多少人和我抬過這個槓了。

關心這個問題的可能都是《三體》迷,為了探討黑域能不能逃得出去,不知道有多少朋友和我抬過槓,今天就對這個問題系統的進行說明。首先申明自己的觀點:不管用多麼低的速度,只要能持續向地球外飛,只要時間足夠都能進入太空,甚至衝出銀河系。

第一個問題:為什麼無論用多小的速度都可以逃離地球引力?答:因為引力是宇宙中最小的力!

因為引力是四種基本力中最小的力,所以要克服引力其實非常的簡單。我們輕輕地一跳,或者慢慢的走上樓梯,都可以被視為短時間克服了地球的引力。所以,要想逃離地球引力的影響其實由兩種截然不同的思路:

第一、低速航天理論:低速但持續的加速。獲得一種持續的力,能夠讓我們持續的對抗地球的引力,從而離開地球。這種速度無論多小,伴隨著地球引力的急劇衰減,直到對我們產生的影響可以忽略不計,太空電梯、火箭就是運用的此種理論。

第二、高速航天理論:高速一次性加速。獲得一種足夠大的力,一次性將一個物體加速到一個速度,使這個物體依靠慣性就可以直接掙脫地球引力的影響,永遠以固定的速度飛行。

第二個問題:第一宇宙速度是怎麼回事?答:高速航天的理論基礎!

第一宇宙速度也叫環繞速度,它實際指的是一個物體經過一次性加速,不被地球引力拉回地面,依靠慣性環繞地球做圓周運動的最小速度。幾百年前的牛頓爵士最早計算出它的數值為:7.9千米每秒

要想真正理解第一宇宙速度要從牛頓的一個設想“牛頓大炮”講起。在發現萬有引力之後,牛頓思考過這樣一個問題:如果在山頂架設一門大炮,在不考慮空氣影響的情況下,如果這門大炮的威力足夠大,能夠一次性賦予炮彈每秒7.9千米的初速度,那麼這發炮彈受地球重力加速度9.8米每二次方秒的影響,每飛行1秒也就是7.9公里,將向地心下降4.9米。但因為地球是一個球體,下降的4.9米剛好被地球的本身的弧度所抵消(如上圖),這樣這發炮彈將永不落地。依靠幾百年前牛頓的這個設想,人類發明了人造地球衛星。

在牛頓理論的基礎上,人們經過進一步運算得出,如果這發炮彈被加速至11.2千米每秒,則會掙脫地球引力的影響,被太陽的引力奪走,成為太陽的衛星,這就是第二宇宙速度;如果這發炮彈被加速至16.7千米每秒,則不僅會擺脫地球引力的影響,還會擺脫太陽引力的束縛,最終依靠自己的慣性飛出太陽系,這就是第三宇宙速度。

第三個問題:現代航天技術運用的是低速航天理論還是高速航天理論?答:其實是兩種理論綜合運用的結果。

為什麼現代航天會運用兩種理論?因為兩種理論都有各自的優勢和不足。

低速航天優點在於技術門檻低,缺點是燃料消耗無窮大:理論上一個二踢腳只要火藥足夠的多,都能飛出太陽系。但這就造成一個問題,如果一個火箭想要持續的加速就必須攜帶近乎無限的能量,這反過來又會加速燃料的消耗。

高速航天的優點在於燃料消耗小,航天器可以依靠自身的慣性飛行;缺點在於技術門檻高,容易損壞航天器。高速航天理論上好處多多,只要將航天器像牛頓大炮一樣直接賦予一個初速度就會永遠的飛行,但考慮到地球大氣的影響,實際並不現實。人類要想從地球發射航天器,除了首先要對抗地球引力,還要對抗地球大氣層巨大的空氣阻力。因此如果要在地面直接賦予航天地第一、第二、第三宇宙速度,不僅需要巨大的能量,而且強大的慣性、空氣阻力和摩擦力會直接摧毀航天器。

所以現代火箭在發射初期都是採用低速航天理論,以極小的速度,逐步進行加速,直到脫離大氣層將航天器加速到所需的速度。在大氣層之外,因為沒有空氣阻力的影響,在排除和其他星際物質撞擊的情況下,理論上一個航天器會依靠慣性永遠以固定速度飛行,所以在航天器脫離大氣層之後,就會採用高速航天理論。在沒有特殊要求的情況下,不再進行二次加速。

舉例而言,如果要發射一個航天器,如果想讓這個航天器成為地球的衛星,就用火箭將這個航天器在脫離大氣層之前緩慢加速至第一宇宙速度,然後火箭和航天器脫離不再進行加速,依靠這個航天器的慣性進行飛行以節省燃料。如果要想讓這個航天器被太陽引力捕獲,成為太陽的衛星,就用火箭將這個航天器直接加速至第二宇宙速度。但考慮到火箭在大氣層內的燃料消耗,一般是在大氣層之外依靠航天器自身的裝置進行二次加速,直至達到第二宇宙速度。想要讓這個航天器飛出太陽系可以此類推。

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深度科幻


能飛起來,說明已經有了克服自身重量的能力,鳥和飛機都具有這個能力。但是,飛起來後,還要一直克服空氣阻力,這種低速飛行將只能象飛機和鳥一樣,因沒有足夠的燃料補充而飛不出地球大氣層,因為低速飛行,你無法帶足飛出大氣層的燃料。只有火箭的高速飛行,能使人造天體在能燃消盡之前,脫離空氣阻力,進入無重力阻力的空間,憑藉慣性力飛翔。要想低速飛出地球,除非你能解決能源的持續供應問題。


長眉1958


這個問題有點意思,看了幾個回答,都是道理,但不夠形象,懂的人懂,不懂的還是不懂。

題主的問題應該是:一個物體以不超過第一宇宙速度向地心相反方向運動,最終能不能脫離地球引力成為“自由天體”?

先說答案:能

為什麼能?首先,“第一宇宙速度”不是一個固定的速度,我們孰知的7.9是說在地表或近地以地球表面切向速度達到這個值時,物體不需要施加外力也能克服地球引力而不會再墜落地球,但萬有引力是和相互作用物體距離成反比的,距離越大,相互作用力就會越小,例如到了同步軌道的高度時,線速度只要達到3.1km/s就不會掉回地面,再再再高,例如到了地月距離時,與地表的切向線速度大於0.94km/s就不會掉地上...這是物體沒有“動力”的情況下需要的“逃逸”速度。

但,事情總有不一樣的,例如題主說:以小於第一宇宙速度的速度離開地球。你要持續以這個速度離開地球,就要有外力來克服地球引力,我們假設一下,有一條足夠結實的繩子從火星連到地球表面的一輛小車,然後以一個不大的速度拉著這輛車往火星方向跑,只要時間足夠長,總會把這輛車拉離地球引力範圍,小車的速度不一定很快,但由於有外力克服地球引力,所以它還是會“離地球而去”。

所以,逃逸的核心問題不是速度,而是力,對於天體,只要克服了相互引力,兩天體就會成“自由狀態”,誰也約束不了誰。


海底核電站


很多人都被物理老師帶偏了,認為速度一定要達到第二宇宙速度才能脫離地球。其實,在燃料充足的情況下,能不能脫離地球跟速度的大小是無關的。


就像用繩子系在小球上甩圈一樣,達到一定速度時,小球剛好可以把繩子拉直,這個速度就是第一宇宙速度,如果甩得再快點,小球就能把繩子拉斷飛出去,這是第二宇宙速度,如果小球沒有做環繞運動,只要能產生足夠的動力,一樣可以把繩子拉斷。

三大宇宙速度分別為7.9km/s ,11.2km/s ,16.7km/s,這三個速度即環繞地球、脫離地球和飛出太陽系所需要的最小速度,三大宇宙速度都是針對於做環繞運動的物體。指的是在達到指定的速度後,才能在無動力的情況下,憑藉慣性保持相應的運動狀態。


其中關鍵的兩個點是“無動力”和“憑藉慣性”。


在達到第一宇宙速度時,飛行器所受的向心力剛好與引力相同,這樣就能在沒有動力的情況下保持在軌道上飛行,如果燃料無限,完全可以保持不動。但天上的衛星或航天飛機,我們總不能一直讓他掛在那不動不停“燒油”吧,這樣即浪費燃料又容易出現故障,所以最好的辦法是讓它們繞著地球轉起來。這樣即經濟實惠,也避免了發動機因長期工作而出現故障。


航天飛機在發射時雖然是與地面垂直,但並不是一直以垂直的角度直接飛往軌道,如果 垂直飛上去的話動力一斷就掉下來了。隨著高度和速度的提升,航天飛機會慢慢調整姿態,最終保持與地面平行,這時斷掉動力也能保持在軌狀態。

另外,我們知道,離地面越近引力越大,在地面航天飛機所受到的引力是最大的,在這種情況下它都能垂直飛起來,假設燃料無限,它完全可以以任意的速度飛離地球。


所以,宇宙速度只是在環繞飛行的前提條件下適用,如果一直垂直於地面飛行,在沒有動力及受到其它天體引力作用的情況下,即使初速度達到第三宇宙速度也飛不出地球,因為引力無限遠,把你拉回來只是時間的問題。


雷爆爆


根本沒有可能。

我們利用火箭發射飛船,其實與我們向天上扔石頭其實是一樣的,不同的一個是利用化學燃料產生動力,一個是利用生物能產生動力。

相信扔石頭誰都做過吧,向天上扔石頭或者其他物體,結果必然是石頭掉下來。但是,你用的力越大,石頭就會飛的越高,這是因為你給予的初始速度不同。你使得力越大,給予的初始速度就越高,因此石頭飛的也越高。

火箭也是樣,與用手扔石頭不同的是,人只能給予物體一個初始速度,扔出後就無法繼續加力了。而火箭可以持續給予加速度,就會讓物體的速度不斷增加。

但結果都是一樣的,如果速度達不到7.9千米/秒,無論是手扔也好,還是火箭加速也好,只要沒有達到這個速度,物體最終都會掉落到地面上來。

這其實就是一個很簡單的拋物線,初中就會學到的知識,當物體飛到拋物線的頂端時,速度就會減小到0,那麼結果只能掉回到地面。這就是抵抗地球引力做功的一個過程,如果達到了7.9千米/秒以上的速度,就可以突破引力的束縛,如果達不到這個速度,無論你飛多久,最終速度就會變為0,那麼就會掉下來,就這麼簡單。


寒蕭99


謝謝大家的解惑!雖然我不是提問者,但我也一直沒搞明白這個問題。

作為一個初中物理用來睡覺,再高深的物理沒接觸過的學渣來說,一直理解不了為什麼飛得達到第二宇宙速度,才能逃離地球軌道。今天得到大家的解釋,讓我的理解又加深了幾層。

好多大神的解釋很透徹,但是作為包括我在內的大部分學渣來說,還是理解不了。下面我就用白話一點的方式,來說一說我對宇宙速度的理解。有不對的地方,希望大神指正!

只要有持續動力,推力大於物體的重力,角度問題我也不懂,反正就是往天上飛,總會脫離地球引力。但是,飛到一半,燃料用完了。只要你還沒脫離地球的引力範圍,就會被引力拉回地面。這個時候不想掉下來,就得想辦法圍著地球轉。轉圈的時候,達到一定的速度,就會產生向心力。當向心力等於重力的時候,你的高度就不會變化了。這就是衛星。

打個比方,我的手是地球,手裡握著一根橡皮筋相當於地球的引力,橡皮筋的另一端拴著一塊石頭。我把石頭拋出去,然後石頭就會被橡皮筋拉回來。我想讓石頭不回來,就得甩橡皮筋來加速石頭,讓石頭圍著我的手轉圈。當達到一定速度,石頭就圍著我的手轉起來。這個時候,石頭旋轉產生的向心力,等於橡皮筋的拉力。就是第一宇宙速度!

石頭繼續加速,這個時候產生的向心力也變得越大,橡皮筋也被拉的更長。石頭來到了更高的軌道!(這裡有一個疑問🤔️軌道越高,受到地球的引力是不是越小?所以,想要在高軌道上保持平衡,就得把速度降下來。也就是說,近地軌道的衛星是轉的最快的,軌道越高的衛星反而轉的越慢!)

繼續加速,蹦!橡皮筋斷了,石頭飛向了天空,逃離了手的引力。這就是第二宇宙速度!

飛了一段距離,石頭最終落地了!相當於被太陽的引力捕獲了。想離開太陽的引力場,那麼這塊悲催的石頭還的努力加速到第三宇宙速度!

以上就是我的理解!不知道能有幾分是正確的。希望大神指正的時候,不要講的太深奧。畢竟您跟我講太深奧我也聽不懂😄


不讓動你韓棟


不可能脫離地球的引力,理論上地球的引力可以作用到無限遠,只不過遠到一定程度,地球引力就很微小而忽略不計了,那才被認為是脫離。當一個物體,例如人造地球衛星,達到了一定的速度,例如第一宇宙速度,可以克服地球的引力,圍繞地球旋轉,注意此時只是克服,而不是脫離,距離脫離還遠著呢。


用戶3372871735244


第一宇宙速度和光速根本就不是一個度量級別的東西,第一宇宙速度是可以突破的,而光速是無法突破的,黑域是將光速降到不足第一宇宙速度,所以你不管怎麼加速都不能達到能夠擺脫地球引力的勢能,所以必須不停的消耗燃料加速。假設極速為第一宇宙速度,7.9公里,正常光速是它的37974.6倍,距離地球最近的比鄰星算作4光年,那麼用第一宇宙速度飛過去就要15萬年。其中大約半程都必須消耗燃料維持速度,那麼問題來了,要多大的飛船能裝這麼多燃料?為維持這麼大質量的物體維持速度消耗速度又要多大,物體越大消耗越快,消耗越快就需要更多燃料,更多燃料又更重...... 死循環了。那麼就能計算出一個可達的極限距離。如果不能突破太陽和比鄰星的引力平衡點的話。就是弄死都出不去咯。這就是黑域


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