我们把卫星,飞船, 空间站 发射到太空中去,这些 航天器 要上升多高,飞得多快才不会坠落呢? 这是一个很容易理解的问题。但是你知道吗?还有另外一种可能:即使是最高时速达7万千米的火箭也要从 地球 上发射升空。那它们能否飞出 大气层 呢? 有的朋友说那还不是一件容易的事,第一宇宙速度! 每当航天器以每秒7.9千米的速度飞行时,它们就可以在天空中不停地旋转;如果低于此速度,它们将坠落。

果真如此吗?

天宫空间站环绕地球运行,其当前近地点的轨道高度为383.7千米,远地点为393.7千米,数学上为椭圆形轨道。 对庞大的地球而言,它则是近圆形轨道,距离地面大约388.6千米。 这就是人们常说的"太空椭圆轨道".所谓"太空椭圆轨道',是指围绕着太阳运行的一条圆形或近似圆形的人造卫星轨道。"天宫空间站位于我国太原卫星发射中心。 天宫空间站是沿着这一圆轨道高速运行的,它每天围绕地球运行15圈半钟,每隔一个半小时左右,航天员就会体验一次日出而作、日落而息。

在天宫空间站观看日出

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按照天宫空间站轨道参数计算,其当前轨道速度为每秒7.68千米,尽管速度比已知的任何飞机都要快,但是却比本书中提到的第一宇宙速度还要低:每秒7.9千米。

究竟何谓第一宇宙速度? 这是一个很有意思的问题。因为它与航天飞行中最重要的性能指标——飞行高度有很大关系:当我们乘坐飞船到太空去时。 据说航天器只有在这一速度以上才有可能从地心 引力 中逃脱出来,那么卫星和空间站为什么不掉下来?

我们向天投掷一块岩石,它将会迅速落下;投掷岩石还不够迅速,你向天射击,子弹以每秒800米左右的速度出膛,够快吗? 这不是天方夜谭吗?(学生)在太空中,当一个物体以每秒1千米以上的时速飞离地面时,会产生一种力叫万有引力,即向心力。 但是十几秒之后,它也会掉下来。 为什么呢? 由于万有引力。

在牛顿看来,两两质量物体,在彼此间产生引力,引力的大小与其质量相关,与其间的距离相关。 万有引力定律已为无数实验所证实。 但是,在日常生活中,我们经常遇到一些小问题需要用到这个原理来解决。 从你投掷岩石到天体运行过程中,其运动均遵循万有引力定律。

万有引力公式

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地球足够大、足够重,可以引力作用于周围所有物体,换言之,你的体重是地球引力作用于你的程度。 石块,子弹,你和我,卫星和空间站,都是高质量的东西,地球对他们具有引力。 那么,地球质量究竟多大呢?下面我们就来分析一下:一、什么叫重力?地球质量等于空间中所有物质的总质量。二、什么叫力?力分为向心力和离心力。 地球在很大程度上是有质量的,引力依赖于物体的质量与距离r。 我们在地球的表面上, r=地球的半径-即地球的质心(地心)到地表的距离。

根据万有引力公式,地球质量为m,地球半径为r,万有引力常数为G,均为固定值,则我们所受地球引力取决于自身质量。

卫星和空间站必须克服万有引力才能继续在空中运行。 如何克服呢? 科学家想的是"离心力"。 什么是离心力呢?(1)地球自转时产生的离心力。地球公转时,也会产生离心力,只不过这种力比较小而已。(2)物体间的吸引力。 奥运会运动员掷链球是先把球转动一下,然后用“离心力”把球掷出,你转动得越快,掷得越远。

运动员用离心运动掷链球

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"离心力"是一个虚拟的力,物理学中没有"离心力",因此我加了个引号。 在力学中,我们把两个互相垂直而又相互平行的力叫做摩擦力。摩擦力分为两种情况:一是牛顿第三定律所说的万有引力与静电力之间的关系。二是惯性力和重力之间的关系。 当一物体围绕牵引力中心作不直线移动时,因物体具有质量,由质量引起的惯性迫使物体向运动轨迹切线移动,惯性力与牵引力相反,把物体向外拉起;;移动物体质量越大,移动速度越快,惯性力越大。

当我们坐上高速行驶的汽车,当汽车转弯的时候,你觉得自己是被抛出去了,那是由于身体的惯性,惯性对外产生了一种虚拟的力,这种"力"叫做离心力。

惯性速度和向心加速度

绕圆心作圆周运动物体的向心力F(等于"离心力"大小的方向正好相反)受到两方面因素的影响,即向心加速度(a)和本身质量(m)。 若将这两因素进行综合考虑,则得到的结果就叫这个物体在任何情况下都能保持静止状态或匀速圆周转动的条件。那么如何求解呢? 以公式表示如下:

F = ma

其中,向心加速度a和切线运动速度v及运动半径r之间的关系为:。

a = v2 / r

因此:因此:

F = mv2 / r

对于一颗围绕地球作圆周运动的卫星而言,为了维持其不坠落(r稳),就必须使地球对其引力和运动所引起的"离心力"在大小和方向上都相等。 但是在实际应用中,由于各种原因,有时会使卫星偏离轨道运行,即发生了偏差。这时如果我们能把卫星上所受到的这种影响减到最小限度就显得十分重要。 因此:因此:

F = Gm1m2 / r2 = m2v2 / r

v2 = Gm1 / r

据了解,地球质量m为固定值, G为万有引力常数,因此卫星轨道速度v只受到r变化的影响而与卫星质量m无关。

卫星轨道愈低,速度愈快

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那么第一宇宙速度是多少?

第一宇宙速度就是当物体贴在海平面上飞行时(无论空气升力或阻力如何)不落回地。 海平面与地心之间的距离是地球平均半径r,其数值大约是6371.4公里。 如果把地球表面上所有的点都看作质点的话,r就等于这些质点之间的夹角。因此,在一般情况下,我们可以认为第一宇宙速度与地球自转速度成正比关系。第二宇宙速度则相反。 所以:那就是:。

v2 = Gm1 / r ≤ 6.67 × 10-11 × 5.965 × 1024 / 6371400

v ≤ 7.91 km / s

我们把这种海平面飞行速度(v)为每秒7.91千米称为"第一宇宙速度",即环绕地球飞行。

其实,任何卫星都不可能这么快地贴在海平面上。 因为在地球上空有一个"气垫层",当卫星接近这个层时,会受到一层空气的阻碍而减速。这就是所谓的大气阻力。那么卫星为什么要向外抛射呢? 为克服空气阻力,我们需把它射向100多公里外的大气层。 所以上边公式里r越来越大。

天宫空间站的高度为388.6千米

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按中国空间站平均轨道高度388.6千米计算:

r=6 371.4+3 886=6 760千米

代入轨道速度公式,得到:v≤7.68公里秒

该数值明显低于每秒7.91千米的第一宇宙速度。

天宫空间站的轨道参数

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因此,我们可以得出这样的结论:

轨道航天器,不管是卫星,飞船或更大更重的空间站,一旦处于近圆轨道,轨道高度就会越高,速度也会越慢。 由于近地轨道(即地球赤道附近)温度低、压力大,因此,它对火箭和人造卫星都有很大阻力。而航天飞行器则不同,因为它们具有比地面更高的飞行速度。1。 静止轨道卫星在36, 000英里高度上,其速度仅为每秒3.1千米,比第一宇宙速度要低得多。

地球同步卫星的速度是每秒3.1千米

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对椭圆轨道运行的卫星(如我国首颗卫星东方红一号)来说,轨道速度在一定范围内连续变化。 由于地球曲率半径和自转速率的不同,导致卫星与太阳之间距离发生变化。这种现象称为日心漂移或日地相对运动。日心漂移会使卫星受到强烈的干扰而影响正常工作。 一些通信卫星专门使用高度椭圆轨道(Molniya),以便能够在其感兴趣的区域停留更长的时间,轨道速度从每秒1.5千米到每秒10千米不等。

俄罗斯核预警卫星轨道便于对北半球进行监测

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所以,如果被告知天上的卫星都以第一宇宙速度运行,这就是他误解了轨道速度这个概念。