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第三宇宙速度僅每秒16.7公裏,地球每秒30公裏為何沒飛出太陽系?

2024-10-25科學

在深入探討之前,我們先來一段簡短的科普說明。

所謂的宇宙速度,究竟是什麽呢?

以地球為例,第一宇宙速度,也叫作環繞速度,是航天器環繞地球進行圓形軌跡運動所允許的最大速度,同時也是從地球表面發射航天器所需的最小初速度。它的數學運算式是Ⅴ1=√GM/r,這裏G代表萬有重力常數,M是地球的質素,r是航天器與地心的距離。計算結果為7.9千米/秒。緊隨其後的第二宇宙速度,又名逃逸速度,是航天器需要從地球表面出發,擺脫地球重力束縛,進而環繞太陽執行所需的速度。它的計算公式為V2=√2GM/r,即在第一速度的基礎上乘以√2,實際速度約為11.2千米/秒。而第三宇宙速度,則是航天器需要從地球出發,逃脫太陽系的重力,成為圍繞銀河系中心運轉的天體所必須的速度。透過動能原理我們得知,它的速度約為16.7千米/秒,因篇幅關系,詳細的計算過程在此不做贅述。

接下來,我們看看這三種宇宙速度各自對應的執行軌跡有何特點。

當物體以第一宇宙速度7.9千米/秒運動時,它可以在地球表面做圓周運動。一旦速度超過第一宇宙速度但還不到第二宇宙速度(11.2千米/秒),物體圍繞地球的軌跡則會變成橢圓,地球位於橢圓的一個焦點上,這樣的軌域仍然是封閉的,也就是說,物體仍受地球重力的作用。但當物體達到第二宇宙速度(11.2千米/秒),它的軌跡會變成拋物線,不再是封閉軌域,這意味著它已經擺脫了地球的重力束縛,不再返回,這就是我們為何稱第二宇宙速度為逃逸速度的原因,因為它讓物體變成了繞太陽執行的人造行星。同理,當物體速度超過第三宇宙速度16.7千米/秒,它的軌跡會變成雙曲線,不再封閉,甚至擺脫了太陽的重力束縛。

那麽問題來了,如果我們從地球表面出發,相對於地球的第三宇宙速度,在太陽參考系中又是多少呢?

之前提到的三種宇宙速度,都是以地球為參考系。但如果我們以火星為參考點,其宇宙速度就會與地球的不同。同樣,地球上方與地面的宇宙速度也存在差異。地球上的物體想要逃離太陽系(即達到第三宇宙速度),需要特別考慮地球的影響。而地球本身想要逃離太陽,則必須考慮太陽的影響。我們知道地球繞太陽的公轉速度是29.8千米/秒。

相對於地球質心的第三宇宙速度是16.7千米/秒,如果換算到太陽參考系,那麽第三宇宙速度就是29.8千米/秒加上16.7千米/秒,等於46.5千米/秒。也就是說,在地球軌域的位置,以這樣的速度,地球是無法逃離太陽系的。

那麽,地球自身想要從其軌域出發,逃離太陽重力所需的宇宙逃逸速度是多少呢?

實際上,地球不需要達到46.5千米/秒的速度就可以逃離太陽系,這是因為,作為一個大型天體,地球已經在繞太陽的軌域上穩定執行,它所需要的僅僅是增加自己的公轉速度,以實作逃逸。也就是說,地球逃離太陽所需的速度是其公轉速度的√2倍,也就是大約42.13千米/秒。

由此可見,即使在同一位置,由於逃離的環境和物件不同(比如地球本身和地球上的物體),所需的宇宙速度也會有所差異。