什么是三个宇宙速度?

如题所述

所谓三个宇宙速度是指在地球上发射人造航天器,实现绕地飞行、逃离地球、逃离太阳系的最小速度。这三个速度分别为7.9km/s、11.2km/s、16.7km/s,这三个速度在地球上叫做第一宇宙速度,又叫环绕速度;第二宇宙速度,又叫脱离速度;第三宇宙速度,又叫逃逸速度。

首先说一下这三个宇宙速度是怎么来的。
这得从牛顿说起。在三百多年前,一个苹果掉到牛顿的头上,砸开了他的天眼,使他冥冥之中看到了宇宙的第一线曙光,这就是四种基本力中最早发现的一种力,叫万有引力。当然苹果砸头只是一个传说,并没有确切的依据,但牛顿发现了万有引力的规律,这个是没有任何疑义的。

牛顿发现的万有引力定律表述在其1687年出版《自然哲学的数学原理》一书中,但由于当时的实验条件,万有引力常量G一直未能得出精确数据,一直到1789年,英国又出了个伟大人物叫卡文迪许,他用改进的扭秤实验得出了引力常量G的精确数值,这样使万有引力定律如虎添翼,成为科学发展的一根重要支柱。由此,卡文迪许被誉为称量地球的第一人。

从此,万有引力定律表述为:F=GMm/r^2

这里,F表示引力值;G为引力常量,取值约6.67x10^11N·m^2/kg^2;M和m为引力作用大小物体质量;r为引力作用大小物体之间质心的距离。

从引力定律可以看出,引力的影响是与质量乘积成正比,与距离平方成反比的,是与距离呈平方指数衰减的,这就说明距离越远引力衰减得越快。人们根据万有引力定律,推演出速度与引力之间的关系,即天体的环绕速度计算公式和逃逸速度计算公式,表述为:

环绕速度公式

v'=√(GM/r)

式中,v'为环绕速度,G为天体质量,r为天体半径。

逃逸速度公式

v"=√(2GM/R)

式中,v"为逃逸速度,G为天体质量,r为天体半径。

根据这两个公式,就可以计算出地球的第一宇宙速度和第二宇宙速度。我们可以来验证一下,地球的质量为5.965x10^24kg,半径约6371km,代入公式:

环绕速度v'=√(5.965x10^24x6.67x10^-11/6371000)≈7.9km/s

逃逸速度v"=√(2x5.965x10^24x6.67x10^-11/6371000)≈11.2km/s

这就是所谓第一宇宙速度和第二宇宙速度的来历。

三个宇宙速度具体数值只是相对地球而言,在宇宙中并不通用。
第一宇宙速度是飞行器绕地飞行所需速度,既脱离不了地球引力,也逃脱不了地球引力。而且这个速度是从地表起飞时必须达到的速度,巡航速度就要看距离地表多高了,越高所需速度越慢,越低所需速度越快。如地球同步卫星距离地表35786km,距离地心42164km,在这个高度只要速度达到约3.1km/s就不会掉下来,也飞不走。

第二宇宙速度是脱离地球引力速度,也就是说达到这个速度,地球引力就拽不住这个航天器了,就可以飞往其他的行星。在地球上,起飞速度只要达到了每秒11.2km的速度,就可以飞往火星了。

第一第二宇宙速度相对其他星球来说,就是环绕速度和逃逸速度,在宇宙中通用的只有这两个速度。所有的天体都有这两个速度。如果根据上述公式计算,可以算出太阳环绕速度为436.6km/s,就是所谓太阳的第一宇宙速度;太阳逃逸速度为617.7km/s,就是太阳的第二宇宙速度。也就是说,人造飞行器从太阳表面起飞,只要达到每秒436.6千米,就可以绕着太阳飞,不掉下去也逃不走;只要达到每秒617.7千米,就可以逃脱太阳引力,逃往太阳系外飞往别的恒星。

这两个速度相对太阳来说,也只是起飞时达到的初速度,而飞高了,速度就并不需要那么快了,距离太阳越远,所需要的速度就越小。比如到了地球这个位置,所需要的环绕速度约29.8km/s,就是现在地球的公转速度。所以地球既不会掉向太阳,也飞不走。而到了距太阳1光年的边缘地带,太阳引力已经非常微弱,根据计算,只需要每秒约168米的速度就可以逃逸了。
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第1个回答  2023-03-20
第一宇宙速度
第一宇宙速度(又称环绕速度):是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度,也是最大绕行速度)。大小为7.91km/s ——计算方法是v=√(gR) (g是重力加速度,R是星球半径)[1]
第二宇宙速度
第二宇宙速度(又称脱离速度):是指物体完全摆脱地球引力束缚,飞离地球的所需要的最小初始速度。大小为11.18km/s。[1]
第三宇宙速度
第三宇宙速度(又称逃逸速度):是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚,飞出太阳系所需的最小初始速度。其大小为16.63km/s。[1]
环绕速度和逃逸速度也可应用于其他天体。例如计算火星的环绕速度和逃逸速度,只需要把公式中的M,R,g换成火星的质量、半径、表面重力加速度即可。[1]
第四宇宙速度
所谓第四宇宙速度,指在是地球上发射的物体摆脱银河系引力束缚,飞出银河系所需最小初始速度,大约为110-120km/s,指在银河内绝大部分地方所需要的航行速度。如充分利用太阳系围绕银心的转速,最低航行速度可为82km/s。由于人类对银河系所知甚少,银河系的质量以及半径等无法取值,这个数字还需要很久才能形成公论。
第五宇宙速度
第五宇宙速度指航天器从地球发射,飞出该星系群最小速度,因为本星系群的半径、质量均未有足够精确数据,因而无法准确得知数据大小。科学家估计该星系群尺度大概有500--1000万光年,照这样算,需要1500--2250km/s的速度才能飞离,但这个速度以人类科学发展水平,至少需要几百年才能达到,所以只是一个幻想。[2]