03.05 人造衛星為什麼能繞地球運行,而不掉下來?

苡居Ync66290


用中學物理的話來說,這是因為人造衛星受到地球的引力剛好提供了人造衛星繞地球做勻速圓周運動的向心力,所以人造衛星可以在無動力的情況下繞著地球運動而不會掉下來。下面,我們通過一個簡單的例子來了解一下人造衛星的運動方式。

如果你站在平地上,然後沿著水平方向拋出一塊石頭。假設不考慮空氣阻力的作用,那麼,石頭在飛行過程中只受地球引力的作用,它將會做平拋運動。在水平方向上,s=v0t;在豎直方向上H=1/2gt^2。由於高度是一定的,所以石頭的落地時間也是一定的。當石頭落到地上時,它在水平方向上運動了一段距離,該距離的大小取決於石頭的初速度——初速度越大,飛得越遠。

由於地球是個球體,表面是彎曲的,如果石頭的初速度足夠快,它所能飛行的距離足夠遠,遠到剛好可以越過地球彎曲的表面,從而避免掉到地球上。因此,這塊石頭就能一直繞著地球做自由落體運動,無需任何動力也不會掉下來。這個初速度的大小與石頭的高度有關,高度越高,這個速度越小。當石頭繞著地球表面做這種運動時,所需的速度最高,大約為每秒7.9千米,這個速度被稱為第一宇宙速度。

在實際情況中,地球表面的空氣阻力不能忽略,所以人造衛星需要被送到距離地球表面至少150千米的太空中,因為那裡的大氣十分稀薄,空氣阻力可以忽略不計。隨著高度增加,人造衛星所需的環繞速度相應也會降低。例如,我國的北斗衛星距離地面大約2.15萬千米,其飛行速度大約為3.78千米/秒。


火星一號


在沒有任何外力干涉的情況下,貌似東西都會往下掉是我們最基本的常識。這是因為地球萬有引力的作用導致。不然也不會有蘋果砸牛頓的事了。

理論上,引力的範圍作用是無限遠的。連月球相距地球38萬千米都受地球引力控制,而我們的衛星高軌道也不過3.5萬千米,低軌道衛星只不過距離地面幾百千米。那麼,人造衛星是如何保證不會掉下來?

實際上要離開地球不掉下來很簡單,只要有一個一直抗衡地球引力的力存在就行了。這個力從哪裡來,就是速度。

逃逸速度大家可能或多或少都有聽到過,所謂的逃逸速度是指當一個物體的運動速度達到可以擺脫一個天體或者星系引力束縛的最小速度。



當一個物體具備速度後,由於引力向心作用,這個物體的運動可以看做是圍繞地球中心在做圓周運動。當一個物體圍繞一個物體做圓周運動時,會產生離心現象,速度越快離心現象越明顯。也就是會產生一個在物理學中的虛擬力―離心力。

離心力這種現象就好比低速開車和高速開車,車速慢時,車不容易飛起來,車速快時與地面接觸的力就會減弱,有時遇到一個小坑就飛起來了。


根據計算,我們離開地球的逃逸速度為7.9千米每秒。也就是說當一個物體具備這個速度不減速後,就可以抵抗引力離開地球表面而永遠不回到地面。

當運載火箭不斷加速到達逃逸速度後進入太空,由於太空所處的真空狀態,只有很小的摩擦力和阻力,這幾乎可以忽略不計,航天器可以保持這種速度非常久,加上引力作用的減弱,哪怕速度丟失一點也是沒有絲毫影響。依靠初始的慣性,就能夠一直具有離心力抗衡地球引力。所以不會掉下來。


絕對不會掉下來是假話,只不過要的時間比較久而已。太空雖然是真空,但是不存在絕對真空,各種太空粒子包括太陽的活動都會造成速度緩慢下降,當速度下降到一定程度,離心力不足無法抗衡引力後,只有墜入大氣燒燬一途。所以某些軌道的航天器包括空間站在內,過一段時間需要稍微提下速度。


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運載火箭將衛星送離地球表面,到達將近脫離地球吸引力的軌道上,實現同步運行,衛星就掉不下來了,也不會跑到宇宙空間去,因為科學家將速度和高度距離都已經算好了,設置好了。


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確實是在掉。

假設衛星原來的運行軌跡是一條直線,那麼相比那條直線,它確實是在掉,但是掉到地球后面去了,再掉就又掉到地球后面去了。

就是說相比剛才的直線,衛星每時每刻都在掉,但是因為掉得剛好,掉得恰到好處,就不斷按照軌道,圍繞地球做圓運行了。

其實本來衛星想進入地球軌道,就需要以巧合速度和角度,同樣在軌衛星就具有了巧合的速度和角度,就不斷做圓周運動,就是這樣。


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其實是因為衛星一直在往下掉,但就是掉不到地球上,因為地球是圓的,如果是方的肯定就掉下來了


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