什么是三個宇宙速度?
所謂三個宇宙速度是指在地球上發射人造航天器,實現繞地飛行、逃離地球、逃離太陽系的最小速度。這三個速度分別為7.9km/s、11.2km/s、16.7km/s,這三個速度在地球上叫做第一宇宙速度,又叫環繞速度;第二宇宙速度,又叫脫離速度;第三宇宙速度,又叫逃逸速度。
首先說一下這三個宇宙速度是怎么來的。
這得從牛頓說起。在三百多年前,一個蘋果掉到牛頓的頭上,砸開了他的天眼,使他冥冥之中看到了宇宙的第一線曙光,這就是四種基本力中最早發現的一種力,叫萬有引力。當然蘋果砸頭只是一個傳說,并沒有確切的依據,但牛頓發現了萬有引力的規律,這個是沒有任何疑義的。
牛頓發現的萬有引力定律表述在其1687年出版《自然哲學的數學原理》一書中,但由于當時的實驗條件,萬有引力常量G一直未能得出精確數據,一直到1789年,英國又出了個偉大人物叫卡文迪許,他用改進的扭秤實驗得出了引力常量G的精確數值,這樣使萬有引力定律如虎添翼,成為科學發展的一根重要支柱。由此,卡文迪許被譽為稱量地球的第一人。
從此,萬有引力定律表述為:F=GMm/r^2
這里,F表示引力值;G為引力常量,取值約6.67x10^11N·m^2/kg^2;M和m為引力作用大小物體質量;r為引力作用大小物體之間質心的距離。
從引力定律可以看出,引力的影響是與質量乘積成正比,與距離平方成反比的,是與距離呈平方指數衰減的,這就說明距離越遠引力衰減得越快。人們根據萬有引力定律,推演出速度與引力之間的關系,即天體的環繞速度計算公式和逃逸速度計算公式,表述為:
環繞速度公式
v'=√(GM/r)
式中,v'為環繞速度,G為天體質量,r為天體半徑。
逃逸速度公式
v"=√(2GM/R)
式中,v"為逃逸速度,G為天體質量,r為天體半徑。
根據這兩個公式,就可以計算出地球的第一宇宙速度和第二宇宙速度。我們可以來驗證一下,地球的質量為5.965x10^24kg,半徑約6371km,代入公式:
環繞速度v'=√(5.965x10^24x6.67x10^-11/6371000)≈7.9km/s
逃逸速度v"=√(2x5.965x10^24x6.67x10^-11/6371000)≈11.2km/s
這就是所謂第一宇宙速度和第二宇宙速度的來歷。
三個宇宙速度具體數值只是相對地球而言,在宇宙中并不通用。
第一宇宙速度是飛行器繞地飛行所需速度,既脫離不了地球引力,也逃脫不了地球引力。而且這個速度是從地表起飛時必須達到的速度,巡航速度就要看距離地表多高了,越高所需速度越慢,越低所需速度越快。如地球同步衛星距離地表35786km,距離地心42164km,在這個高度只要速度達到約3.1km/s就不會掉下來,也飛不走。
第二宇宙速度是脫離地球引力速度,也就是說達到這個速度,地球引力就拽不住這個航天器了,就可以飛往其他的行星。在地球上,起飛速度只要達到了每秒11.2km的速度,就可以飛往火星了。
第一第二宇宙速度相對其他星球來說,就是環繞速度和逃逸速度,在宇宙中通用的只有這兩個速度。所有的天體都有這兩個速度。如果根據上述公式計算,可以算出太陽環繞速度為436.6km/s,就是所謂太陽的第一宇宙速度;太陽逃逸速度為617.7km/s,就是太陽的第二宇宙速度。也就是說,人造飛行器從太陽表面起飛,只要達到每秒436.6千米,就可以繞著太陽飛,不掉下去也逃不走;只要達到每秒617.7千米,就可以逃脫太陽引力,逃往太陽系外飛往別的恒星。
這兩個速度相對太陽來說,也只是起飛時達到的初速度,而飛高了,速度就并不需要那么快了,距離太陽越遠,所需要的速度就越小。比如到了地球這個位置,所需要的環繞速度約29.8km/s,就是現在地球的公轉速度。所以地球既不會掉向太陽,也飛不走。而到了距太陽1光年的邊緣地帶,太陽引力已經非常微弱,根據計算,只需要每秒約168米的速度就可以逃逸了。
三個宇宙速度分別是多少?
三個宇宙速度分別是:
V1=7.9公里/秒
V2=11.2公里/秒
V3=16.7公里/秒
第一宇宙速度(V1) 航天器沿地球表面作圓周運動時必須具備的速度,也叫環繞速度。按照力學理論可以計算出V1=7.9公里/秒。航天器在距離地面表面數百公里以上的高空運行,地面對航天器引力比在地面時要小,故其速度也略小于V1。
第二宇宙速度(V2)當航天器超過第一宇宙速度V1達到一定值時,它就會脫離地球的引力場而成為圍繞太陽運行的人造行星,這個速度就叫做第二宇宙速度,亦稱逃逸速度。按照力學理論可以計算出第二宇宙速度V2=11.2公里/秒。由于月球還未超出地球引力的范圍,故從地面發射探月航天器,其初始速度不小于10.848公里/秒即可。
第三宇宙速度(V3)從地球表面發射航天器,飛出太陽系,到浩瀚的銀河系中漫游所需要的最小速度,就叫做第三宇宙速度。按照力學理論可以計算出第三宇宙速度V3=16.7公里/秒。需要注意的是,這是選擇航天器入軌速度與地球公轉速度方向一致時計算出的V3值;如果方向不一致,所需速度就要大于16.7公里/秒了。可以說,航天器的速度是掙脫地球乃至太陽引力的惟一要素,目前只有火箭才能突破宇宙速度。
資料拓展:
第四宇宙速度
所謂第四宇宙速度,是指在地球上發射的物體擺脫銀河系引力束縛,飛出銀河系所需的最小初始速度,約為110-120km/s,指在銀河內絕大部分地方所需要的航行速度。如充分利用太陽系圍繞銀心的轉速,最低航行速度可為82km/s。由于人類對銀河系所知甚少,這個數字還需要很久才能形成公論。指在銀河系內絕大部分地方所需要的脫離速度。目前根本無法得出第四宇宙速度,原因是對于銀心的質量以及半徑等無法取值。
第五宇宙速度
第五宇宙速度指航天器從地球發射,飛出本星系群的最小速度大小,由于本星系群的半徑、質量均未有足夠精確的數據,所以無法準確得知數據大小。目前科學家估計本星系群大概有500--1000萬光年,照這樣算,應該需要1500-2250km/s的速度才能飛離,但這個速度以人類目前的科學發展水平,至少要幾百年才能達到,所以現在只是個幻想。
第六宇宙速度
第六宇宙速度指航天器從地球發射,飛出全宇宙的最小速度大?。蚀_來說是可見宇宙),但由于可見宇宙的具體半徑,質量等數據未知,且眾所周知,宇宙在膨脹,所以這個數據應該是不確定的,人們也不知道宇宙外面是否還有界。所以第六宇宙速度還是個有待研究的話題。
什么是三個宇宙速度
第一宇宙速度是7.9km/s
,是物體要離開地球要具有的最低速度
第二宇宙速度是11.2km/s,是物體要離開太陽系的最低速度
第三宇宙速度16.7km/s,是物體要離開銀河系的最低速度
什么是三個宇宙速度
第一宇宙速度
第一宇宙速度(又稱環繞速度):是指物體緊貼地球表面作圓周運動的速度(也是人造地球衛星的最小發射速度,也是最大繞行速度)。大小為7.91km/s
——計算方法是v=√(gR)
(g是重力加速度,R是星球半徑)[1]
第二宇宙速度
第二宇宙速度(又稱脫離速度):是指物體完全擺脫地球引力束縛,飛離地球的所需要的最小初始速度。大小為11.18km/s。[1]
第三宇宙速度
第三宇宙速度(又稱逃逸速度):是指在地球上發射的物體擺脫太陽引力束縛,飛出太陽系所需的最小初始速度。其大小為16.63km/s。[1]
環繞速度和逃逸速度也可應用于其他天體。例如計算火星的環繞速度和逃逸速度,只需要把公式中的M,R,g換成火星的質量、半徑、表面重力加速度即可。[1]
第四宇宙速度
所謂第四宇宙速度,指在是地球上發射的物體擺脫銀河系引力束縛,飛出銀河系所需最小初始速度,大約為110-120km/s,指在銀河內絕大部分地方所需要的航行速度。如充分利用太陽系圍繞銀心的轉速,最低航行速度可為82km/s。由于人類對銀河系所知甚少,銀河系的質量以及半徑等無法取值,這個數字還需要很久才能形成公論。
第五宇宙速度
第五宇宙速度指航天器從地球發射,飛出該星系群最小速度,因為本星系群的半徑、質量均未有足夠精確數據,因而無法準確得知數據大小。科學家估計該星系群尺度大概有500--1000萬光年,照這樣算,需要1500--2250km/s的速度才能飛離,但這個速度以人類科學發展水平,至少需要幾百年才能達到,所以只是一個幻想。[2]
三個宇宙速度分別是多少?
第一宇宙速度是每秒7.9千米/秒,
物體如果達到7.9千米/秒的速度,
它就會永遠地繞地球運行而不會
從天上掉下來,我們也之稱為環
繞速度;
第二宇宙速度是每秒11.2千米/秒
,物體如果達到這個速度,將會
逃離地球的束縛飛向星際空間,
我們也之為脫離速度;
第三宇宙速度是每秒鐘16.7千米/
秒,若是要到太陽系外去旅行那
就要達到這個速度。