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地球的公转轨道速度大于第三宇宙速度 为什么地球没有飞离太阳?

时间:2023-10-12 11:56:46

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地球的公转轨道速度大于第三宇宙速度 为什么地球没有飞离太阳?

在回答这个问题之前先科普一下宇宙速度的概念。我们生活在地球上,地球上的任何物体都受到地球的引力不能随便脱离地球;而地球处于太阳系,地球受到太阳的强大引力围绕着太阳转不能脱离太阳;而太阳系又处于银河系,受到银河系强大引力,围绕着银河系的中心天体转动而不能脱离银河系……。根据万有引力定律,地球上的物体如果能像地球绕着太阳一样也绕着地球转的话,得需要一个初始速度,这个速度人们称为“第一宇宙速度”V1,

飞行器环绕地球

利用引力刚好用作物体作圆周运动的向心力的原理即GMm/r=mⅤ1/r(G为万有引力常数,M为地球质量,m为物体质量,r为物体到地心的距离,V1为物体运动速度,即所求的第一宇宙速度。),即V1=√GM/r,计算出这个第一宇宙速度大小为7.9公里/秒。

物体从地面如果想脱离地球直接绕着太阳转,所需的初始运动速度必须更大,这个速度的最小值被称为“第二宇宙速度”V2,由于篇幅原因,这里只给出公式和结果:V2=√2GM/R,即第二宇宙速度是同一轨道公转速度(第一宇宙速度)的√2倍,即7.9x√2=11.2公里/秒。

物体从地面如果想脱离太阳系直接绕银河系中心转,所需的最小初始运动速度叫作“第三宇宙速度”V3,利用动能公式求得V3=16.7公里/秒。

地球表面的三个宇宙速度大小及轨道

同理物体从地面如果想脱离银河系所需速度会更大,所需的最小初始运动速度被叫作“第四宇宙速度”,由于目前尚不知银河系的准确大小,只能估计在525公里/秒以上。好了,咱们回到题目来回答一下,地球公转速度大于第三宇宙速度,为何没有飞离太阳系?这有两个原因。

第一个原因也是主要原因就是地球的公转轨道速度并没有达到逃离太阳所需的速度。

速度是相对的,必须有参照物才有意义。所谓的宇宙速度是个省略句,前面省略了“相对于地球”,我们常说的每秒为16.7公里的第三宇宙速度(物体从地球出发沿着地球公转方向逃离太阳系所需的初始速度)是以地球为参照物衡量的;我们知道地球的公转速度为每秒29.8公里,这个速度大小是以太阳质心为参照物衡量的;所以这个第三宇宙速度如果是以太阳质心为参照物来衡量,它的大小就是16.7+29.8=46.5公里/秒,这个速度大于地球公转速度。当然这个速度里面包括了物体为摆脱地球引力所增加的速度,真正地球在其公转轨道逃离太阳所需的初始速度为每秒42.1公里(29.8x√2),而这个速度也大于29.8公里/秒的地球公转速度,所以地球飞离不了太阳。

第二个原因就是宇宙速度是个相对概念,它不是全宇宙通用的常量,物体从地球出发逃离太阳所需速度和地球本身逃离太阳所需速度是不同的。

也就是说相对于不同星球的宇宙速度是不同的。当然这个概念起初就是指从地球出发,要脱离天体重力场四个比较有代表性的初始速度的统称。这就是狭义的宇宙速度。广义的宇宙速度就是指从任何天体或宇宙空间出发,要脱离天体重力场的一些比较有代表性的初始速度的统称。相对于不同天体或宇宙空间的宇宙速度的大小是不同的,比如说同样相对于地球,在地面位置环绕地球的速度要比在近地轨道的速度要大,在地面理论值为7.9公里/秒,出了浓密大气层的近地轨道的环绕速度则为7.8公里/秒,甚至更低。还有:脱离同一个天体相对于不同级别的物体,它们宇宙速度的名称也是不一样的。比如说地球上的物体摆脱太阳引力的速度叫第三宇宙速度,这是相对于地球的。但是地球自身摆脱太阳引力的速度相对于太阳来说叫第二宇宙速度,大小为42.1公里/秒(根据第二宇宙速度是同一轨道公转速度(第一宇宙速度)的√2倍这个规律求得,即29.8x√2=42.1)。而地球的公转速度相对于太阳来说叫第一宇宙速度,大小为29.8公里/秒。所以从这个角度来说,这只是地球的环绕太阳速度,不是逃逸太阳的速度,它是飞离不了太阳的。地球29.8公里/秒的公转速度大小虽然大于我们常说的16.7公里秒的第三宇宙速度大小,但这两个速度是相对于不同参照物来衡量的,压根不能比。就像第一个原因所说,这个16.7公里/秒的第三宇宙速度如果是以太阳为参照物,其大小是46.5公里/秒,它是大于29.8公里/秒的地球公转速度的,所以它能够飞离太阳系。进入银河系。

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