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回顾:3.9万米挑战近太空跳伞,依然能回到地球,地球引力范围有多大

2024-10-09科学

在【牛顿哲学原理】中,法国文豪伏尔泰记载在了牛顿和苹果的相关故事,1666年夏天的某一天下午, 牛顿偶然见看到了一个苹果从一颗苹果树上掉落下来,由此激发了他的思维 ,从而提出了 重力学说 并衍生出 万有引力定论 。可事实上,尽管万有引力已经成为了现代物理学中的重要定律之一,但至今也没有人能够证明这个故事的真实性。

不仅如此,随着人类科学认知的发展和进步,甚至 万有引力本身也逐渐受到了许许多多的质疑 。尽管这种定律十分符合我们在现实生活中所看到的现象,但在 天体研究 之中,万有引力似乎还没有达到足够令人信服的高度。尤其是在时空的概念加入之后,相关的定律讨论变得更加热闹。

地球引力范围

北京时间2012年10月15日,奥地利极限运动员菲力克斯·鲍姆加特纳 从距离地面3.9万米的高空一跃而下 ,成为了世界上第一个挑战近太空跳伞的人。为了此次跳伞行动,菲力克斯和他的团队准备了将近足足 七年 左右的时间,好在最终的成功证明,所有的努力都是值得的。

可在这个过程之中,很多人却忽略了一个问题,处于3.9万米高空跳下,菲力克斯·鲍姆加特纳最终还能够 落回地球 ,那么 地球的引力范围究竟有多大? 如果说在天体运动之中,万有引力的说法并不准确的话,那么地球的「影响力」究竟有多大?

不仅如此,为什么地球卫星火箭等天体在不受人为控制的情况下进入地球时,都会 与大气摩擦生热导致燃烧殆尽 ,而菲力克斯却不会受到任何影响?要知道在3.9万米的高空,其实就处于 大气层与平流层中间 的位置, 大气质量以及大气密度都不算低

想要了解这两个问题其实很简单,以菲力克斯和地外卫星的最终结果来看,或许有人会猜测,这难道不是接触面积的原因?其实答案并非如此。尽管菲力克斯与大气的接触面积确实小了许多,但这和摩擦力并没有任何关系。 摩擦力本身和材料以及接触面的粗糙程度有关,面积大小对结果根本不会产生任何实质性的影响。

事实上,之所以会出现这样的情况,最重要的原因就在于 穿越大气的速度不同 。研究资料显示 菲力克斯的 最高速度大约在373m/s, 已经是 超音速运动 可即便如此,也 远远没有达到大气摩擦直至燃烧速度的最低要求, 也就是 1020m/s。 这样一来,菲力克斯自然不会与大气摩擦直至燃烧。

地外卫星和地外天体 却完全不同,它们自身的初始速度加上地球重力给予的重力加速度,让它们 很容易就突破了1020的临界值 ,燃烧自然也就不可避免。

其次就是地球引力范围究竟有多大,完全可以通过天体表象和万有引力定理来推测。牛顿所观察到的苹果以及万里之外的月球,都会受到地球的影响。而万有引力定律也提到: 任何两个质点都存在通过连心线方向上的相互吸引力。 所以从理论上来讲, 地球的引力范围是无穷无尽的。只不过受到质量和距离的限制,地球引力便会逐渐减小。

除此以外,太空中并不仅仅只有地球拥有万有引力, 任何能够赋予质量定义的物质,都拥有不同程度的引力。 在这些引力的相互牵扯和作用下,所以我们才 无法感受到其他的行星受到地球的吸引

引力平衡

既然引力是无穷无尽的,那么 太空中的天体为何没有相互「集合」在一起? 地外太空中的卫星以及空间站 等等,又是如何能够维持 在地球表面运行 的。其实答案很简单,那就是 寻找足够的力与引力相互对抗 。当两个对应方向上的力达到平衡以后,物体自然就会稳定在某一个轨道上,且 不会受到外力的影响

  • 万有引力猜想

  • 早在1632年的时候,其实伽利略就已经提出了离心力和向心力的初步想法。 只不过在那个年代,由于科学发展的限制,伽利略并不知道应该如何描述这两种特殊的力,有关力的方向,大小以及变化就更不用说。好在牛顿以及其他科学家的不断努力,最终 离心力定律被证实 ,而向心力及其定义也出现在牛顿 【论回转物体的运动】 一文中。

    在这之后,牛顿苹果的故事暂且不谈,从离心力到万有引力,牛顿花费了足足 20年 左右的时间,才建立了一个较为完整的力学体系。尤其是在 【自然哲学的数学原理】 之中,牛顿表明 天体以及地球上的所有物体,都存在相互的吸引力,这才是万有引力的真正由来。

  • 地球的引力影响

  • 到了现代生活之中,卫星以及空间站等人类探测器之所以能够在地球表面稳定运行,其实最根本的缘由就在于 「力的平衡」 。我们在地球上感觉不到地球的转动,但如果放在足够的视野空间内,那就能够看到 地球以每秒29.79公里的速度围绕太阳运动,而它自身也在以线速度为466米/秒在进行自转运动。

    在这样的情况下,当卫星以及空间站被地球「甩」出去的时候,自然会出现一个 离心力 。我们只要让这个离心力和地球的引力达到平衡,且保证 卫星以及空间站的运转速度跟上地球的运动 ,那么 卫星稳定在地外空间自然也就不是什么难事

    除去对卫星以及空间站的影响之外,其次就是地球与天体之间的相互作用和影响了。这同样容易理解,以 潮汐现象 为例 其实就是 地球和月球之间的引力相互作用下出现的海水周期性涨落现象。

    那么为什么太阳系中的其他行星和地球没有类似的关系和表现呢?这主要是受到 更大引力场的牵制作用 。月球围绕地球运动,受到地球的牵制,而地球以及其他行星在太阳系之中,其实就是 在不同距离下受到太阳的引力影响而运动 ,并最终 维持了稳定

    万有引力与广义相对论

    从上面的表象阐述可知,万有引力对天体研究的帮助其实是很大的。也正是借助了万有引力的理论数值,人类才能够开启地外探索之路。那么 为什么在这样的情况下,还会出现万有引力并不是力的说法呢? 一旦这样的说法被证实,我们日常生活中所看到的一切现象,又将用什么样的定义来证明?

    事实上,在我们的日常生活之中,也就是 地球内部的引力定律发生变化的可能性不大 。换句话来说,我们将地球引力范围做出分类,那么 地表的引力只需要借助万有引力定律就能够解决99%以上的难题 ;可如果是 地外太空 的现象研究,那么就要 重新理解万有引力的定律

    在广义相对论之中,万有引力的说法并不准确, 天体运动并不是因为受到了吸引, 就像太阳系中的八大行星围绕太阳运动,和太阳本身的引力并没有任何关系,主要是因为 太阳将周围的时空弯曲了,所以才导致八大星空在我们认知的同一时空中运动。

    不仅如此, 任何一个有质量的天体附近,都会存在时空的弯曲现象,质量越大,则这种现象的影响范围越广。 而又恰好这一表述和万有引力的定义阐述十分接近,所以人们才会将两种不同的物理概念 混淆 。可事实上,万有引力其实是科学的表象描述,而 广义相对论则更加接近事实真相

    我们以百步为抵达客观真理的终点距离,那么万有引力则在五十步左右的地方,广义相对论则抵达了八十步左右。至于剩余的二十步,其实主要就是在研究 黑洞 等特殊天体的时候, 广义相对论的描述也并不准确

    科学家们曾经预测, 想要了解整个宇宙的运行规律,或许要将万有引力,广义相对论以及微观量子力学等结合在一起研究才有可能出现。 除此以外,至于未来是否会出现更加令人震惊的科学定律和天体现象,那就只能随着时间的推移走一步看一步了。

    引力与时空

    结合广义相对论来看,其实地球引力的范围和影响并不存在极限值就很容易理解, 因为时空不存在极限值,所以「引力」自然也就不会存在极限值。 换句话来说,这就像我们目前所看到感受到的引力,本身就是另一个维度表述中的时空,那么所谓的极限值自然也就不存在了。

    如果将这一切放入三维空间之中, 其实就是整个宇宙空间都充满了各种各样的引力,地球的引力也成了整个空间引力组成的一部分。 从这一点继续向下推导,其实也可以说明 整个宇宙中所有物体的引力都不存在范围和极限 。当物体带着质量出现在这个世界上时,就已经 成为了整个世界的一部分

    那么我们是否能够找到引力的范围呢? 地球引力的范围在宇宙空间中无穷无尽 ,可另外一个宇宙呢?不仅如此,像黑洞这样的特殊天体呢?这些都是有待考量的。 当科学研究到达另外一个高度之后,我们曾经的认知就有必要发生改变

    万有引力定律之所以是物理学中的重要定律,是因为它比较符合地球上的客观现象,可如果是 到了地外太空探索时,这个定律就只能运用到比较简单的现象上面,无法探查事情的本质 。所以,地球的引力范围在理论上是无穷无尽的,但如果真的想要研究引力的延伸和变化,那就必须要 结合宏观宇宙中的时空观点结合分析 才行。

    结语

    其实即便是在对流层之上的空间之中,如果没有离心力的支持,同样会落回地球。只不过在那个时候,由于穿过大气层的速度影响,能否平安归来就说不准了。随着科技的进步, 人类高空跳伞的高度越来越高 。或许在未来的某一天,这类运动会像蹦极,滑翔,跳伞等极限运动一样普及。

    除此以外,其实就地球引力这件事情上面,仅从某一个角度来研究问题,都是错误的思维方式。 只有将所有现象结合在一起,分析总结出更加符合客观事实规律的定律,才是真正合理的打开方式 。如果仅仅凭借现有的规律去推断未知的现象,那么我们最终得到的答案也只会是令自己感到满意,而不是令科学研究满意。