03.05 人造卫星为什么能绕地球运行,而不掉下来?

苡居Ync66290


用中学物理的话来说,这是因为人造卫星受到地球的引力刚好提供了人造卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力,所以人造卫星可以在无动力的情况下绕着地球运动而不会掉下来。下面,我们通过一个简单的例子来了解一下人造卫星的运动方式。

如果你站在平地上,然后沿着水平方向抛出一块石头。假设不考虑空气阻力的作用,那么,石头在飞行过程中只受地球引力的作用,它将会做平抛运动。在水平方向上,s=v0t;在竖直方向上H=1/2gt^2。由于高度是一定的,所以石头的落地时间也是一定的。当石头落到地上时,它在水平方向上运动了一段距离,该距离的大小取决于石头的初速度——初速度越大,飞得越远。

由于地球是个球体,表面是弯曲的,如果石头的初速度足够快,它所能飞行的距离足够远,远到刚好可以越过地球弯曲的表面,从而避免掉到地球上。因此,这块石头就能一直绕着地球做自由落体运动,无需任何动力也不会掉下来。这个初速度的大小与石头的高度有关,高度越高,这个速度越小。当石头绕着地球表面做这种运动时,所需的速度最高,大约为每秒7.9千米,这个速度被称为第一宇宙速度。

在实际情况中,地球表面的空气阻力不能忽略,所以人造卫星需要被送到距离地球表面至少150千米的太空中,因为那里的大气十分稀薄,空气阻力可以忽略不计。随着高度增加,人造卫星所需的环绕速度相应也会降低。例如,我国的北斗卫星距离地面大约2.15万千米,其飞行速度大约为3.78千米/秒。


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在没有任何外力干涉的情况下,貌似东西都会往下掉是我们最基本的常识。这是因为地球万有引力的作用导致。不然也不会有苹果砸牛顿的事了。

理论上,引力的范围作用是无限远的。连月球相距地球38万千米都受地球引力控制,而我们的卫星高轨道也不过3.5万千米,低轨道卫星只不过距离地面几百千米。那么,人造卫星是如何保证不会掉下来?

实际上要离开地球不掉下来很简单,只要有一个一直抗衡地球引力的力存在就行了。这个力从哪里来,就是速度。

逃逸速度大家可能或多或少都有听到过,所谓的逃逸速度是指当一个物体的运动速度达到可以摆脱一个天体或者星系引力束缚的最小速度。



当一个物体具备速度后,由于引力向心作用,这个物体的运动可以看做是围绕地球中心在做圆周运动。当一个物体围绕一个物体做圆周运动时,会产生离心现象,速度越快离心现象越明显。也就是会产生一个在物理学中的虚拟力―离心力。

离心力这种现象就好比低速开车和高速开车,车速慢时,车不容易飞起来,车速快时与地面接触的力就会减弱,有时遇到一个小坑就飞起来了。


根据计算,我们离开地球的逃逸速度为7.9千米每秒。也就是说当一个物体具备这个速度不减速后,就可以抵抗引力离开地球表面而永远不回到地面。

当运载火箭不断加速到达逃逸速度后进入太空,由于太空所处的真空状态,只有很小的摩擦力和阻力,这几乎可以忽略不计,航天器可以保持这种速度非常久,加上引力作用的减弱,哪怕速度丢失一点也是没有丝毫影响。依靠初始的惯性,就能够一直具有离心力抗衡地球引力。所以不会掉下来。


绝对不会掉下来是假话,只不过要的时间比较久而已。太空虽然是真空,但是不存在绝对真空,各种太空粒子包括太阳的活动都会造成速度缓慢下降,当速度下降到一定程度,离心力不足无法抗衡引力后,只有坠入大气烧毁一途。所以某些轨道的航天器包括空间站在内,过一段时间需要稍微提下速度。


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运载火箭将卫星送离地球表面,到达将近脱离地球吸引力的轨道上,实现同步运行,卫星就掉不下来了,也不会跑到宇宙空间去,因为科学家将速度和高度距离都已经算好了,设置好了。


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确实是在掉。

假设卫星原来的运行轨迹是一条直线,那么相比那条直线,它确实是在掉,但是掉到地球后面去了,再掉就又掉到地球后面去了。

就是说相比刚才的直线,卫星每时每刻都在掉,但是因为掉得刚好,掉得恰到好处,就不断按照轨道,围绕地球做圆运行了。

其实本来卫星想进入地球轨道,就需要以巧合速度和角度,同样在轨卫星就具有了巧合的速度和角度,就不断做圆周运动,就是这样。


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其实是因为卫星一直在往下掉,但就是掉不到地球上,因为地球是圆的,如果是方的肯定就掉下来了


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