飛船升到太空後地球被炸掉,飛船 還有重力勢能嗎?

一艘宇宙飛船,升上太空後,地球被炸掉了,它還有重力勢能嗎?還是那條飛船,降落到另一個更大的星球,那它多出的重力勢能哪來的?


注意兩點:

1.勢能屬於系統,不屬於個體。
嚴格地講,飛船的引力勢能是個簡略說法,完整說法是飛船和地球這個系統的引力勢能。

2.勢能的數值只有相對意義,看零點怎麼選取。
零勢能並非沒有勢能。
運動限於太陽系的時候,無需考慮整個銀河系乃至河外星系,因為對相對結果的影響微乎其微。


首先回答題主的第二個問題:【還是那條飛船,降落到另一個更大的星球,那它多出的重力勢能哪來的?】

這個問題的答案其實更明確一些。

從物理意義上來說,勢能表示了物體在特定位置上所儲存的能量,描述了作功能力的大小。在適當的情況下,勢能可以轉化為諸如動能,內能,化學能等其他能量。

重力勢能E=mgh是引力勢能在地球表面的近似和簡化,引力勢能公式一般是這樣的:

其中無窮遠處為勢能零點,所以這個勢能看起來是負的。不過沒關係,飛船掉下來能轉換多少勢能為動能是由兩點之間的勢能差決定的——也就是說勢能並不是一個非常絕對的概念,勢能零點也是可以隨便選取的,雖然計算結果並不會因此產生差異。基於這個公式,兩點之間的勢能差=(-GMm/r1)-(-GMm/r2),如果飛船下落的話,這個值就是正值。

所以不同於重力勢能把勢能零點選在地球表面,比之更廣義的引力勢能把勢能零點選在無窮遠處。上圖中的R越大,引力勢能就越大(所謂正負並不重要,重要的是兩點之間的勢能差)。

對於另外一個更大的星球,比如M2,飛船勢能計算的實際情況是這樣的,也就是兩者勢能之疊加:

飛船相對於那顆星球(M2)的引力勢能一直都擺在那裡,也就是上圖中帶有M2和R2的那一項,只不過考慮到R2趨近於無窮大,所以在遠離M2星球的時候,這一項通常都是被忽略掉的。而一旦靠接M2或者在M2登陸了,這一項的作用就開始發揮了。

所以飛船降落到遠處更大的星球並未憑空多出任何引力勢能,而是這勢能一直都在那裡,一般情況下沒有機會表現出來罷了。

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現在開始回答題主的第一個問題:【飛船升到太空後地球被炸掉,飛船還有重力勢能嗎?】

這個問題其實更酷一些,地球都沒了,上哪去找原本的重力勢能呢?

它其實也是有答案的。不同於由上帝憑空搬走地球——這種情況下,原有的重力勢能/引力勢能的確可以說是消失掉了。題目中的地球是被炸掉的,這是符合正常的物理情境的,在這種情況下,飛船的勢能——不,應當說是飛船與地球體系的引力勢能是不會憑空消失的。

那麼體系的勢能在這個過程中是如何轉換的呢?

按照題主的思路,我們假設上圖」變大「的M1就是地球的爆炸過程,假設它正在均勻地炸開成為球形(其實這個模型是不準確的,之後會討論),在地球物質膨脹到距離飛船R1半徑以內範圍的情況下,飛船(假設坐標不變)與地球體系的引力勢能仍舊可以近似地用上圖中的公式予以表示。

當M1膨脹到超過R1半徑範圍的時候,情形就變成了這樣:

飛船的引力勢能發生了變化,之前公式中的M1需要被修正為M1*,同時還需要重新計算飛船的引力勢能——從無窮遠處推算起,移動到當前位置,減去地球碎片引力所做的功。R1範圍內的地球碎片還對飛船的引力有所貢獻,範圍之外的碎片就不再有貢獻了——這是把所有球外碎片對飛船的引力進行積分所得到的結果(均勻球殼內部的物體是受球殼引力之和為0)。

當碎片炸開足夠遠之後,M1*→0,而(M1-M1*)→M1,同時R1*→∞,此時計算得到飛船的引力勢能→0。也就是說飛船的勢能值實際上是增加了(之前更負,現在接近0)。

考慮到地球碎片炸開之後,由於飛船的(引力)存在,碎片並不會膨脹成標準的球形,而是會受飛船引力的影響而有所扭曲。所以,以整體的觀念來處理這個問題所得到的結果並不是最精確的。

更精確的解法是:化整為零。

我們首先要意識到引力勢能是參與引力作用雙方的勢能,而不是單方面的勢能,尤其是當地球炸為碎片的時候,更需要考慮到各個碎片與飛船之間的相互作用與該體系的勢能了。

在這種情況下,體系的總引力勢能可以表述為(藍色小球代表地球碎片):

雖然爆炸的碎片之間也存在相互作用力,但是這種相互作用並不影響參與碎片與飛船之間的勢能計算,所以上圖中所給出的就是爆炸地球體系中的飛船勢能。

這樣一來,飛船的」勢能「其實從未消失掉,在極端情況下,地球碎片全部都炸到天邊去了,所有R→∞,此時飛船的引力勢能值就為0了——要注意到,這可比之前為負值的引力勢能增加了而非減少了,也就是說在這種極端情況下,飛船的勢能不但沒有消失,反而還變大了呢!當然了,這種」變大「的勢能是否能夠最終被發揮出來,那可就是另外一回事了。

所以,地球爆炸,消失掉的是地球以及它自帶的重力概念(也包括重力勢能概念),但是整個體系引力勢能與動能之間的平穩轉換卻一直在那裡,遵循著嚴格的能量守恆。


最後一個問題:為什麼地球消失掉之後,飛船的引力勢能反而增加了呢?(至少在公式上的表現如此。)


其實這個問題不難理解,地球的爆炸其實給體系注入了很大動能,這些動能使得地球碎片在飛離飛船的過程中克服引力做的功,同時減慢了自己的速度,並轉換成了引力勢能儲存在整個體系當中。


有重力勢能 地球質心還在原來的位置


首先,單純的重力勢能沒有任何意義,有意義的是它的差值;正如單純的高度沒有任何意義,高度差才是有意義的一樣!地球的向心加速度會隨著離地距離的增大而減小,那麼相同高度差內的勢能差自然也變小。
其次,高中物理應該會講到萬有引力提供向心加速度的問題,同時萬有引力又同距離及兩物體質量相關。根據萬有引力公式並且控制好條件會得到你想要的結果!


如果地球炸了,如果等同為地球消失了,那麼這個飛船就受太陽的引力,但也不一定,如果飛船的發射速度大於等於第三宇宙速度便會擺脫太陽的引力。


飛船和地球之間的重力勢能的確不存在了,它也無法再下落而做功了。


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