我以每秒一米的速度升空,最终能离开地球进入太空吗?
▍我以每秒一米的速度升空,最终能离开地球进入太空吗?
理论能实现,但实际难以完成!
你以每秒一米速度升空,虽远远低于7.9千米/秒的第一宇宙速度,但只要你耗费足够长的时间,理论上可抵达你想去的任何星球!
但实际上升容易但要持续上升很难,由于受地球重力影响,你必须具备源源不断的能量动力来源,支撑你以1米/秒的速度上升,直至飞出大气层。你不但首先要面对大气层恶劣环境,而且要克服地球重力,需提供耗费的能量也是巨大的。实际也是难以离开地球进入太空的!
其实上面的提问是个伪命题,现实根本不可能实现。人类要想离开地球进入大气层,唯一经济快速的途径就是乘坐航天器,达到第一宇宙速度进入太空!这也是目前宇航员进入太空唯一的“交通工具”!其它的途径做梦飞天,终究难以实现!
▍我以每秒一米的速度升空,最终能离开地球进入太空吗?
这个问题挺好,能炸出很多键盘侠。我就很愿意回答这样的问题。
(原创手打,严禁抄袭)
首先回答是:能。不仅能飞出地球,还能飞出太阳系,银河系。因为题干确定了一米每秒为速度。所以一米每秒连黑洞都可以逃出。你问题已经自己回答了。
这个问题说白了就是,你如果产生位移,那你的位置会变化吗?这就是个坑啊各位,位移的定义就是表示物体(质点)的位置变化。
如果大家认同,那么看到这里该明白的也就明白了,可以换下一题了。不明白的请继续往下看,科普时间到。(什么?午时已到?)
(图是我P的请无视)
这个问题会把大家坑在哪里呢?
第一坑:逃逸速度与能否飞出地球混淆;
第二坑:速度与加速度概念混淆;
第三坑:进入轨道失重就是脱离引力的认识误区。
我们来逐个分析:
第一坑,逃逸速度的误区。
首先,地球逃逸速度是指在贴着地球外层,达到了这个速度可以无动力甩出去。是甩出去,脱离地球引力的束缚。切记!不是不受地球引力,引力的作用是无限远的。
就是说即使没达到这个速度,推力足够的话你慢慢飞也能飞出去。达到这个速度,你就不需要动力就能飞出去啦。
以下括号里的内容可以直接跳过到下一个小标题,想温习物理的可以参考。
(一个质量为m的物体具有速度v,则它具有的动能为mv^2/2。假设无穷远地方的引力势能为零,则距离地球距离为r的物体的势能为-mar。又因为地球对物体的引力可视为物体的重量,所以有GmM/r2=ma即a=(GM)/r2.
所以物体的势能又可写为-GmM/r,其中M为地球质量。设物体在地面的速度为V,地球半径为R,则根据能量守恒定律可知,在地球表面物体动能与势能之和等于在r处的动能与势能之和,即mV2/2+(-GMm/R)=mv2/2+(-GmM/r)。
当物体摆脱地球引力时,r可看作无穷大,引力势能为零,则上式变为mV2/2-GmM/R=mv2/2.
显然,当v等于零时,所需的脱离速度V最小,即逃逸速度V=2GM/R开根号,
又因为GMm/R2=mg,所以V=2gR开根号,
另外,由上式可见脱离速度(第二宇宙速度)恰好等于第一宇宙速度的根号2倍。
其中g为地球表面的重力加速度,其值为9.8牛顿/千克。地球半径R约为6370千米,从而最终得到地球的脱离速度为11.17千米/秒。)
地球表面的逃逸速度是11.17km/s。如果你在飞得高一点,那么逃逸速度更低。离地球越远,逃逸速度越低。可以想象,无穷远的时候有一点速度就可以逃逸地球了。
在环绕的时候达到逃逸速度,无需动力就可以逃逸了。对,要注意方向,冲着地球栽过去达到这个速度是飞不出去的。
第二坑,速度与加速度混淆。
人家都说了,一米每秒,也就是每秒移动一米。速度恒定,加速度为0。而地球是有重力的,所以如果垂直向上飞的话,飞船的推力等于其重力。如果飞船重10吨,那么飞船的垂直推力就是100000牛。
为什么现实中的飞船是斜着飞出去环绕,而不是垂直呢?我继续给大家现场计算。
我们设计一个简单的环境模型,忽略空气阻力这些难计算的条件,就是飞船重10吨,以10m/s的加速度由火箭助推,环绕地球进入逃逸轨道。另一个是垂直恒速火箭助推飞出地球达到逃逸速度,分别计算对比。
环绕加速飞出的飞船做功≈1248MJ
(我开始有点后悔回答这个问题了,算死我了)
垂直恒速飞上去的飞船能量≈1885MJ
(别问我怎么算的了,我现在不想说话,感觉好累)
可见,环绕飞出的节省了一半能量。这就是为什么现在的卫星飞船都是斜着加速进入轨道,而不是保持恒速慢慢升起进入轨道。
赶紧进入第三个坑,进入轨道失重就是脱离引力的认识误区。
根据万有引力公式F引=GMm / r²。
其中G为万有引力常数,M为地球质量,m为卫星质量,r为卫星中心与地球中心的距离。
由此可知,卫星距离地球越远所受到的引力越小。即使很远很远也有引力。
那么失重现象是为什么呢?飞机下落的速度等于重力加速度时,飞机上也会出现失重现象。可以这么理解:卫星其实也在“下坠”,可是其下坠的路线正好等于地球弧度垂直方向的分量。幸好因为地球是圆的,它才能一直下坠。
卫星在轨也是受力的。但是我实在不想给大家演示计算过程了。看图吧。
了解就行,卫星会受到地球啊、月球啊、地球不圆重力不均匀之类的,吧啦吧啦。我就不细说了。
总之面对这样类似的问题大家要跳开这俩坑:飞出地球不等于达到逃逸速度;进入轨道失重并不是脱离引力。
好了就回答到这里吧,我每次回答问题都扯得很远,因为写的少了没人看。
回答中不足请大家指正。
▍我以每秒一米的速度升空,最终能离开地球进入太空吗?
低速航天是完全可行的,如果一个人能一直保持1m/s的速度不变,那么只要他时间足够,完全可以飞到宇宙的任何地方。
我们都知道火箭要想离开地球进入太空需要的最小速度是7.9km/s,但低于这个速度并不意味着就无法飞出地球。其实火箭上天和我们平常人骑自行车一样,我们骑自行车如果想上一个非常陡峭的坡,那么最省力的办法就是从很远的地方开始加速,最终凭借加速度一鼓作气冲上去,火箭升天的原理跟这个也差不多。
但是如果一个人足够强壮,那么他完全可以不从远处加速,直接靠着蛮力硬生生的爬坡,很明显这样虽然也能上去,但是需要的力气要比之前的方法大的多,而且在爬坡途中要一直保持这个功率。
由此我们可以知道,一个人如果真的能以1m/s的速度匀速上升,那么他肯定能飞出地球,但是需要稳定并且持续的能量来进行,远没有火箭直接达到高速后冲出地球省力。
我们常说的逃逸速度是指火箭达到这个速度后不用再增大功率就能飞出地球,类似于我们从远处加速后不用再蹬自行车就能冲上陡坡一样,而火箭如果对自己的推力和能源足够有信心,那么也能以1m/s的速度飞地球。
▍我以每秒一米的速度升空,最终能离开地球进入太空吗?
答:哈哈,看了下面的答案,没想到“炸”出好多物理“小白“,可以肯定地回答:如果你以1m/s相对于地球的恒定速度飞向太空,你不仅可以飞出地球,而且飞出太阳系,飞出银河系都没有问题。
而且和各个宇宙速度一点关系都没有,你只要以1m/s,哪怕是1cm/s都行,然后肯定会飞向太空,完全不必考虑宇宙速度。因为这时候的宇宙速度,对你的飞行方式没有任何指导意义!
那么为什么不需要考虑宇宙速度呢?那是因为你的运动,不是靠着惯性飞向的,你需要时时刻刻消耗燃料!宇宙速度说的是接下来靠着惯性飞行的最小速度!
题设以1m/s的匀速速度运动飞向太空,根据相对运动,x秒后距离地球x米,只要有足够的时间,你要飞多远都行!!!
你的速度相对于地球永远是1m/s,在地球附近是1m/s,在150km处也是1m/s,根本不需要考虑各种宇宙速度,也不需要达到哪个宇宙速度,因为你的速度永远是1m/s。
但是也决定了,你不可能凭借惯性,在地球近地轨道附近,绕着地球做圆周运动。
但是理论上存在一个轨道,可以让你以1m/s的速度,围绕地球做圆周运动,可能在几千万公里之外,那时候其他天体的引力已经不能忽略了!
宇宙速度
这里,很多人对宇宙速度存在误解,而且还是非常大的误解:
第一宇宙速度:物体围绕地球附近,作匀速圆周运动的速度,v1=7.9km/s,重点是“地球附近”;
第二宇宙速度:物体从地球表面发射,脱离地球引力场的最低速度,v2=11.2km/s;
第三宇宙速度:从地球表面发射物体,能脱离太阳引力的最低速度,v3=16.7km/s;
第四宇宙速度:脱离银河系引力的速度,v4=110~120km/s;
其中,我要说的是第三宇宙速度v3=16.7km/s,一个常识地球围绕太阳运转的速度为29.8km/s,已经远远超过了第三宇宙速度16.7km/s,那么为什么地球没有飞出太阳系呢?
那是因为,我们在计算第三宇宙速度时,把地球的自转速度考虑了进去,借助地球的公转,大大降低了实际的逃逸速度。
如果不借助地球的公转,地球轨道处的逃逸速度为42.2km/s,所以地球不可能逃出太阳系。
对于地面附近的第一宇宙速度为7.9km/s,再往上升高,比如150km处的卫星,只需7.8km/s。
当该轨道上的航天器,达到第二宇宙速度后,就可以完全凭借惯性飞出太阳系,如果速度刚好是11.2km/s,那么航天器在单独引力下飞行,飞到无穷远后速度接近零,这就是第二宇宙的意义!
(1)实际过程中,我们不会使用匀速飞行的方式,因为引力的变化随着距离的二次方成反比,意味着你要以复杂的能量输出来抵抗引力,才能达到匀速,这种方式是不可取的。
(2)简单的做法,是我们只需要最先给航天器一个较大初速度,以后进行修正和调整即可,这时候看的就是宇宙速度。
如果你要绕地球飞行,就要达到第一宇宙速度;你要飞出地球,就压达到第二宇宙速度;你要飞出太阳系,就要达到第三宇宙速度;当速度达到之后,剩下的靠着惯性飞行就行,无需继续注入额外加速的燃料,当然你要留一点燃料来进行轨道修正等等。
好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!
▍我以每秒一米的速度升空,最终能离开地球进入太空吗?
不用这么快,陪着蜗牛一起散步,一直向上走,一不小心就会离开地球进入太空,不仅能离开地球,还能脱离太阳系。
你爬楼梯不是在离开地球吗?只是楼梯不够高,如果楼梯足够高,哪里不能到达呢?
提出这样的问题,往往会拿第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度说事,其实是一种误解。它们分别是飞行器环绕地球、脱离地球和飞出太阳系的最小发射速度,但注意前提是飞行器不再消耗能量,是飞行器依靠惯性飞行的速度。
离开地球,需要克服地球引力,只要有足够的能量,持之以恒地克服地球引力,无需考虑速度大小,物体就可一直升高。爬楼时,不觉得累吗?就是因为需要消耗人体的生物能,转化为重力势能,使人不断升高。
------------------
推荐阅读: