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宇宙速度怎么算?
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。
三个宇宙速度分别是多少?
三个宇宙速度分别是:
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圆周运动时必须具备的速度,也叫环绕速度。按照力学理论可以计算出V1=7.9公里/秒。航天器在距离地面表面数百公里以上的高空运行,地面对航天器引力比在地面时要小,故其速度也略小于V1。
第二宇宙速度(V2)当航天器超过第一宇宙速度V1达到一定值时,它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星,这个速度就叫做第二宇宙速度,亦称逃逸速度。按照力学理论可以计算出第二宇宙速度V2=11.2公里/秒。由于月球还未超出地球引力的范围,故从地面发射探月航天器,其初始速度不小于10.848公里/秒即可。
第三宇宙速度(V3)从地球表面发射航天器,飞出太阳系,到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度,就叫做第三宇宙速度。按照力学理论可以计算出第三宇宙速度V3=16.7公里/秒。需要注意的是,这是选择航天器入轨速度与地球公转速度方向一致时计算出的V3值;如果方向不一致,所需速度就要大于16.7公里/秒了。可以说,航天器的速度是挣脱地球乃至太阳引力的惟一要素,目前只有火箭才能突破宇宙速度。
资料拓展:
第四宇宙速度
所谓第四宇宙速度,是指在地球上发射的物体摆脱银河系引力束缚,飞出银河系所需的最小初始速度,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,这个数字还需要很久才能形成公论。指在银河系内绝大部分地方所需要的脱离速度。目前根本无法得出第四宇宙速度,原因是对于银心的质量以及半径等无法取值。
第五宇宙速度
第五宇宙速度指航天器从地球发射,飞出本星系群的最小速度大小,由于本星系群的半径、质量均未有足够精确的数据,所以无法准确得知数据大小。目前科学家估计本星系群大概有500--1000万光年,照这样算,应该需要1500-2250km/s的速度才能飞离,但这个速度以人类目前的科学发展水平,至少要几百年才能达到,所以现在只是个幻想。
第六宇宙速度
第六宇宙速度指航天器从地球发射,飞出全宇宙的最小速度大小(准确来说是可见宇宙),但由于可见宇宙的具体半径,质量等数据未知,且众所周知,宇宙在膨胀,所以这个数据应该是不确定的,人们也不知道宇宙外面是否还有界。所以第六宇宙速度还是个有待研究的话题。
第一到八宇宙速度是什么?
第一到八宇宙速度是分别如下:(科学界还并没有第七和第八宇宙速度的说法)。
第一宇宙速度:指物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫作第一宇宙速度。
第二宇宙速度:当物体(航天器)飞行速度达到11.2千米/秒时,就可以摆脱地球引力的束缚,飞离地球进入环绕太阳运行的轨道,不再绕地球运行。这个脱离地球引力的最小速度就是第二宇宙速度。
第三宇宙速度:使物体挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系以外的宇宙空间去,必须使它的速度等于或者大于16.7km/s,即第三宇宙速度。
第四宇宙速度:是指在地球上发射的物体摆脱银河系引力束缚,飞出银河系所需的最小初始速度。
第五宇宙速度:指的是航天器从地球发射,飞出本星系群的最小速度。
第六宇宙速度:是指在地球上以这一速度发射飞船,即可脱离本超星系团引力的速度,本超星系团的直径约在1~2亿光年之间,在不需要考虑科技以及能源消耗等一系列客观条件的影响下,理论上需要接近光速才有可能飞离。
天文和物理学术界对于第六宇宙速度是否存在,尚有争议。
相关内容:
由于地球表面存在稠密的大气层,航天器不可能贴近地球表面作圆周运动,必须在150公里的飞行高度上才能作圆周运动。在此高度的环绕速度为7.8公里/秒。
第一宇宙速度别称:航天器最小发射速度、航天器最大运行速度、环绕速度。
人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动时,其轨道半径近似等于地球半径 R,其向心力为地球对卫星的万有引力,其向心加速度近似等于地面处的重力加速度。
第三宇宙速度v3为从地球表面发射航天器,飞出太阳系,到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度。
第一宇宙速度为人造卫星在地面附近绕地球做“匀速圆周运动”所必须具有的速度。
宇宙速度是什么?
分类: 教育/科学 科学技术 工程技术科学
解析:
宇宙速度 是指物体达到11.2 千米/秒(第一宇宙速度)的运动速度时能摆脱地球引力束缚的一种速度。在摆脱地球束缚的过程中,在地球引力的作用下它并不是直线飞离 地球 ,而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕 太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系 ,物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球,而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。
物体达到11.2千米/秒的运动速度时能摆脱地球引力的束缚。在摆脱地球束缚的过程中,在 地球引力的作用下它并不是直线飞离地球,而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力 作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系,物体的运动速度必须达到16.7千/秒(第二宇宙速度)。那时将按双曲线轨迹飞离地球,而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。
人类的航天活动,并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器,需要绕地球飞行,即让航天器作圆周运动。我们知道,必须始终有一个与离心力大小相等,方向相反的力作用 在航天器上。在这里,我们正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力,正好与物体 作曲线运动的离心力方向相反。经过计算,在地面上,物体的运动速度达到7.9千米/秒(环绕速度)时,它所产生的离心力,下好与地球对它的引力相等。这个速度被称为环绕速度。
上述使物体绕地球作圆周运动的速度被称为第一宇宙速度;摆脱地球引力束缚,飞离地球的 速度叫第二宇宙速度。
而摆脱太阳引力束缚,飞出太阳系的速度叫第三宇宙速度。根据万有引力定律,两个物体之间引力的大小与它们的距离平方成反比。因此,物体离地球中心的距 离不同,其环绕速度(第一宇宙速主)和脱离速度(第二宇宙速度)有不同的数值。
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