第一宇宙速度:(又稱環(huán)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(wèi)星的最小發(fā)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) 環(huán)繞速度和逃逸速度也可應(yīng)用于其他天體。例如計算火星的環(huán)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(zhì)量,、半徑、表面重力加速度即可,。 物體達(dá)到11.18千米/秒的運動速度時能擺脫地球引力的束縛,。在擺脫地球束縛過程中,在地球引力的作用下它并不是直線飛離地球,,而是按拋物線飛行,。脫離地球引力后在太陽引力作用下繞太陽運行。若要擺脫太陽引力的束縛飛出太陽系,,物體的運動速度必須達(dá)到16.63千/秒,。那時將按雙曲線軌跡飛離地球,而相對太陽來說它將沿拋物線飛離太陽,。人類的航天活動,,并不是一味地要逃離地球。特別是當(dāng)前的應(yīng)用航天器,,需要繞地球飛行,,即讓航天器作圓周運動。我們知道,,必須始終有一個與離心力大小相等,,方向相反的力作用在航天器上,。在這里,我們正好可以利用地球的引力,。因為地球?qū)ξ矬w的引力,,正好與物體作曲線運動的離心力方向相反。經(jīng)過計算,,在地面上,,物體的運動速度達(dá)到7.91千米/秒時,它所產(chǎn)生的離心力,,恰好與地球?qū)λ囊ο嗟?。這個速度被稱為環(huán)繞速度。 上述使物體繞地球作圓周運動的速度被稱為第一宇宙速度,;擺脫地球引力束縛,,飛離地球的速度叫第二宇宙速度;而擺脫太陽引力束縛,,飛出太陽系的速度叫第三宇宙速度,。根據(jù)萬有引力定律,兩個物體之間引力的大小與它們的距離平方成反比,。因此,,物體離地球中心的距離不同,其環(huán)繞速度(第一宇宙速主)和脫離速度(第二宇宙速度)有不同的數(shù)值,。 需要強(qiáng)調(diào)的是,,第一宇宙速度有兩重意義。它既是發(fā)射航天器時的最小初速度,,也是航天器在繞地球飛行(圓周運動)時的最大環(huán)繞速度,。 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,。 (V2) 當(dāng)航天器超過第一宇宙速度V1達(dá)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(xué)理論可以計算出第二宇宙速度V2=11.18km/秒,。由于月球還未超出地球引力的范圍,,故從地面發(fā)射探月航天器,其初始速度不小于10.848km/秒即可,。 假設(shè)在地球上將一顆質(zhì)量為m的發(fā)射到繞太陽運動的軌道需要的最小發(fā)射速度為V,; 此時衛(wèi)星繞太陽運動可認(rèn)為是不受力,其他星體距離地球無窮遠(yuǎn),; 認(rèn)為無窮遠(yuǎn)處是引力0勢面,并且發(fā)射速度是最小速度,,則衛(wèi)星剛好可以到達(dá)無窮遠(yuǎn)處,。 由動能定理得 1/2*mV^2-GMm/r=0; 解得V=√(2GM/r) 這個值正好是第一宇宙速度的√2倍。 第三宇宙速度:(又稱逃逸速度) 是指在地球上發(fā)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。 使物體掙脫太陽引力的束縛,,飛到太陽系以外的宇宙空間去,,必須使它的速度等于或者大于16.7km/s,即第三宇宙速度,。 第三宇宙速度(V3) 從地球表面發(fā)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(xué)理論可以計算出第三宇宙速度V3=16.63km/秒。需要注意的是,,這是選擇航天器入軌速度與地球公轉(zhuǎn)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16.63km/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,,只有火箭才能突破該宇宙速度。 第三宇宙速度計算方式: G*M*m/r^2 = m*(v^2)/r G引力常數(shù),,M被環(huán)繞天體質(zhì)量,,m環(huán)繞物體質(zhì)量,r環(huán)繞半徑,,v速度,。 得出v^2 = G*M/r,月球半徑約1738公里,是地球的3/11,。質(zhì)量約7350億億噸,,相當(dāng)于地球質(zhì)量的1/81。 月球的第一宇宙速度約是1.68km/s,。再根據(jù):V^2=GM(2/r-1/a) a是人造天體運動軌道的半長徑,。a→∞,得第二宇宙速度V2=2.38km/s. 一般:第二宇宙速度V2等于第一宇宙速度V1乘以√2。 繞太陽運動的平均線速度為29.8km/s,。在地球軌道上,,要使人造天體脫離太陽引力場的逃逸速度42.1km/s。當(dāng)它與地球的運動方向一致的時候,,能夠充分利用地球的運動速度,,在這種情況下,人造天體在脫離地球引力場后本身所需要的速度僅為兩者之差V0=12.3km/s,。設(shè)在地球表面發(fā)射速度為V3,,分別列出兩個活力公式并且聯(lián)立:V3^2-V0^2=GM(2/r-2/d) 其中d是地球引力的作用范圍半徑,由于d遠(yuǎn)大于r,,因此和2/r這一項比起來的話可以忽略2/d這一項,,由此就可以計算出:V3=16.63km/s,也就是第三宇宙速度,。 第三宇宙速度V3=16.63km/s,。推導(dǎo)方法如下。地球以約30km/s的速度繞太陽運動,,地球上的物體也隨著地球以這個速度繞太陽運動,。正像物體掙脫地球引力所需的最小速度等于它繞地球運動的速度的第三宇宙速度倍那樣,物體脫離太陽引力的束縛所需的速度應(yīng)等于它繞太陽運動的速度的 第三宇宙速度倍,,即 第三宇宙速度,。由于人造天體已有繞太陽運動的速度30km/s,所以只要使它沿地球運動軌道方向增加12.4km/s的速度就行,。但要物體獲得這個速度,,首先必須使它掙脫地球引力的作用。因此,,除了給予物體以 第三宇宙速度的動能外(其中m表示人造成天體的質(zhì)量,v表示增加的速度12.4km/s),,還需給予它 第二宇宙速度(v2表示第二宇宙速度)的動能,即 第三宇宙速度,。 用V3表示第三宇宙速度(以地球為參考系),,則人造天體應(yīng)具有的動能等于第三宇宙速度時,,才能滿足上述條件,。 第四宇宙速度 指在是地球上發(fā)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(nèi)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(zhuǎn)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(zhì)量以及半徑等無法取值,,這個數(shù)字還需要很久才能形成公論,。 是指沖出銀河系的最低發(fā)射速度。由于人類對銀河系的了解尚在進(jìn)行中,,它的精確質(zhì)量和半徑尚未清楚,,因此第四宇宙速度的值只能估算,大約在110-120千米/秒之間,。人類還沒能實現(xiàn)第四宇宙速度,。 宇宙速度的一級,預(yù)計物體具有110-120千米/秒的速度時,,就可以脫離星河系而進(jìn)入其他星系,,這個速度叫做第四宇宙速度。但由於人們尚未知道銀河系的精確大小與質(zhì)量,,因此只能粗略估算,,而實際上仍然沒有航天器能夠達(dá)到這個速度。宇宙速度的概念也可應(yīng)用于在其他天發(fā)射航天器的情況,。例如計算火星的環(huán)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(zhì)量 、半徑 ,、表面重力加速度即可,。 物體達(dá)到11.2千米/秒的運動速度時能擺脫地球引力束縛,。在擺脫地球束縛的過程里,,在地球引力的作用下它并不是直線飛離地球,而是按拋物線飛行,。脫離地球引力后在太陽引力作用下繞太陽運行,。若要擺脫太陽引力的束縛飛出太陽系,物體的運動速度必須達(dá)到16.7千米/秒,。那時將按雙曲線軌跡飛離地球,,而相對太陽來說它將沿拋物線飛離太陽。 人類的航天活動,,并不是一味地要逃離地球,。特別是當(dāng)前的應(yīng)用航天器,需要繞地球飛行,即讓航天器作圓周運動,。我們知道,,必須始終有一個能夠維持航天器圓周運動的向心力作用在航天器上。在這里,,我們正好可以利用地球的引力,。因為地球?qū)ξ矬w的引力,正好與物體作曲線運動所需要的向心力方向相同,。經(jīng)過計算,,在地面上,物體的運動速度達(dá)到7.9千米/秒時,,它做圓周運動需要的向心力,,恰好與地球?qū)λ囊ο嗟取_@個速度被稱為環(huán)繞速度,。 上述使物體繞地球作圓周運動需要的速度被稱為第一宇宙速度(環(huán)繞速度),;擺脫地球引力束縛,飛離地球需要的速度叫第二宇宙速度(逃離速度),;而擺脫太陽引力束縛,,飛出太陽系的速度叫第三宇宙速度(逃逸速度)。根據(jù)萬有引力定律,,兩個物體之間引力大小與它們的距離平方成反比,。因此,物體離地球中心的距離不同,,其環(huán)繞速度(第一宇宙速度)和脫離速度(第二宇宙速度)有不同的數(shù)值,。 第五宇宙速度 指航天器從地球發(fā)射,飛出該星系群最小速度,,因為本星系群的半徑,、質(zhì)量均未有足夠精確數(shù)據(jù),因而無法準(zhǔn)確得知數(shù)據(jù)大小,??茖W(xué)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(xué)發(fā)展水平,至少需要幾百年才能達(dá)到,,所以只是一個科學(xué)幻想狀態(tài),。 約1500--2250千米/秒指的是航天器從地球發(fā)射,飛出該星系群的最小速度大小,,由于該星系群半徑,、質(zhì)量均未有足夠精確的數(shù)據(jù),,所以無法估計數(shù)據(jù)大小??茖W(xué)家估計大概有500--1000萬光年,,照這樣算,應(yīng)該需要1500--2250千米/秒的速度才能飛離,,但這個速度以人類的科學(xué)發(fā)展水平,,至少要幾百年才能達(dá)到,所以只是個人類當(dāng)今文明科技階段夢寐以求的科學(xué)幻想,。 第六宇宙速度 迄今為止這還只是一個人類脫離自己所在宇宙(總星系)或進(jìn)入另一個宇宙的猜想速度而已,。 |
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