我以每秒一米的速度升空,最終能離開地球進入太空嗎?
這個問題我之前回答過,以1米每秒的速度升空,不僅可以飛出地球還能飛出銀河系。很多人肯定不服了,中學時候學過的第一宇宙速度和第二宇宙速度那豈不是白學了?所謂的第一宇宙速度是在飛行的時候沒有提供持續動力的情況下,假如現在我用力踢一腳足球,這個足球以7.9千米每秒的速度越飛越高,越飛越遠,那麼這個足球是可以圍繞地球飛行的,這個第一宇宙速度就是最小的發射速度,在這個過程中是沒有發動機給足球提供動力,這種情況下才是我們所學過的7.9千米每秒的第一宇宙速度才能飛離地球表面。而現在假設有一種新型的航天發動機,這種發動機可以抵消地球在各個高度上的引力和空氣阻力之和。我們利用高中的力學知識就可以知道。一共只有三個力,第一個是萬有引力,萬有引力使得航天器升空的時候做曲線運動,還是做勻速圓周運動航天器的向心力,還是物體所受到的重力,第二個就是空氣的阻力,不管這個航天器在上升過程中是做曲線運動也好,圓周運動也好,都是由這兩種力的合力的情況決定的。那麼現在這種新型的發動機裝置可以抵消引力和阻力,那麼相當於三力平衡了,合力為0。這個時候航天器以1米每秒的速度勻速向上升空逐漸飛離地球,是完全沒有任何問題!飛離銀河系都沒有問題。
在這個問題之下,航天器燃料減少自身的質量降低,還有不同高度的萬有引力不一樣,還有空氣阻力也會不一樣,我們都把這種問題視為被發動機平衡了,大家也別轉牛角尖說燃料不夠用。
所以說,並非要多快的速度才能飛離地球,蝸牛般的速度都是沒問題的,前提是要有持續動力的情況下,而我們高中所學的第一宇宙速度第二宇宙速度是在沒有持續提供動力的情況下,只給你一個初速度,這種情況下當然是必須要達到7.9千米每秒,11.2千米每秒才可以擺脫引力或者向別的星球飛去。大家在理解第一宇宙速度的時候要真正明白它的意思,第一宇宙速度的定義在教課書上寫的很清楚了,但是背後暗含的條件和情況在教課書上是沒有的,需要自己去領悟。
在分析這個問題的時候我特意用力學來解釋問題,因為三力平衡合力為0是非常好理解的。如果還沒有理解的朋友,我這裡從能量的角度來解釋,這種解釋辦法最大的好處就是可以不用討論中間的過程,直接看頭尾的狀態。
假設航天器可以以1米每秒速度飛離地球,發動機燃料的化學能轉變成上升的重力勢能和摩擦力產生的熱能,還有速度為1米每秒的動能,這完全是可以做到的,一點也不違背任何定律!
這個問題挺好,能炸出很多鍵盤俠。我就很願意回答這樣的問題。
(原創手打,嚴禁抄襲)
首先回答是:能。不僅能飛出地球,還能飛出太陽系,銀河系。因為題干確定了一米每秒為速度。所以一米每秒連黑洞都可以逃出。你問題已經自己回答了。
這個問題說白了就是,你如果產生位移,那你的位置會變化嗎?這就是個坑啊各位,位移的定義就是表示物體(質點)的位置變化。
如果大家認同,那麼看到這裡該明白的也就明白了,可以換下一題了。不明白的請繼續往下看,科普時間到。(什麼?午時已到?)
(圖是我P的請無視)
這個問題會把大家坑在哪裡呢?
第一坑:逃逸速度與能否飛出地球混淆;
第二坑:速度與加速度概念混淆;
第三坑:進入軌道失重就是脫離引力的認識誤區。
我們來逐個分析:
第一坑,逃逸速度的誤區。
首先,地球逃逸速度是指在貼著地球外層,達到了這個速度可以無動力甩出去。是甩出去,脫離地球引力的束縛。切記!不是不受地球引力,引力的作用是無限遠的。
就是說即使沒達到這個速度,推力足夠的話你慢慢飛也能飛出去。達到這個速度,你就不需要動力就能飛出去啦。
以下括弧里的內容可以直接跳過到下一個小標題,想溫習物理的可以參考。
(一個質量為m的物體具有速度v,則它具有的動能為mv^2/2。假設無窮遠地方的引力勢能為零,則距離地球距離為r的物體的勢能為-mar。又因為地球對物體的引力可視為物體的重量,所以有GmM/r2=ma即a=(GM)/r2.
所以物體的勢能又可寫為-GmM/r,其中M為地球質量。設物體在地面的速度為V,地球半徑為R,則根據能量守恆定律可知,在地球表面物體動能與勢能之和等於在r處的動能與勢能之和,即mV2/2+(-GMm/R)=mv2/2+(-GmM/r)。
當物體擺脫地球引力時,r可看作無窮大,引力勢能為零,則上式變為mV2/2-GmM/R=mv2/2.
顯然,當v等於零時,所需的脫離速度V最小,即逃逸速度V=2GM/R開根號,
又因為GMm/R2=mg,所以V=2gR開根號,
另外,由上式可見脫離速度(第二宇宙速度)恰好等於第一宇宙速度的根號2倍。
其中g為地球表面的重力加速度,其值為9.8牛頓/千克。地球半徑R約為6370千米,從而最終得到地球的脫離速度為11.17千米/秒。)
地球表面的逃逸速度是11.17km/s。如果你在飛得高一點,那麼逃逸速度更低。離地球越遠,逃逸速度越低。可以想像,無窮遠的時候有一點速度就可以逃逸地球了。
在環繞的時候達到逃逸速度,無需動力就可以逃逸了。對,要注意方向,沖著地球栽過去達到這個速度是飛不出去的。
第二坑,速度與加速度混淆。
人家都說了,一米每秒,也就是每秒移動一米。速度恆定,加速度為0。而地球是有重力的,所以如果垂直向上飛的話,飛船的推力等於其重力。如果飛船重10噸,那麼飛船的垂直推力就是100000牛。
為什麼現實中的飛船是斜著飛出去環繞,而不是垂直呢?我繼續給大家現場計算。
我們設計一個簡單的環境模型,忽略空氣阻力這些難計算的條件,就是飛船重10噸,以10m/s的加速度由火箭助推,環繞地球進入逃逸軌道。另一個是垂直恆速火箭助推飛出地球達到逃逸速度,分別計算對比。
環繞加速飛出的飛船做功≈1248MJ
(我開始有點後悔回答這個問題了,算死我了)
垂直恆速飛上去的飛船能量≈1885MJ
(別問我怎麼算的了,我現在不想說話,感覺好累)
可見,環繞飛出的節省了一半能量。這就是為什麼現在的衛星飛船都是斜著加速進入軌道,而不是保持恆速慢慢升起進入軌道。
趕緊進入第三個坑,進入軌道失重就是脫離引力的認識誤區。
根據萬有引力公式F引=GMm / r2。
其中G為萬有引力常數,M為地球質量,m為衛星質量,r為衛星中心與地球中心的距離。
由此可知,衛星距離地球越遠所受到的引力越小。即使很遠很遠也有引力。
那麼失重現象是為什麼呢?飛機下落的速度等於重力加速度時,飛機上也會出現失重現象。可以這麼理解:衛星其實也在「下墜」,可是其下墜的路線正好等於地球弧度垂直方向的分量。幸好因為地球是圓的,它才能一直下墜。
衛星在軌也是受力的。但是我實在不想給大家演示計算過程了。看圖吧。
了解就行,衛星會受到地球啊、月球啊、地球不圓重力不均勻之類的,吧啦吧啦。我就不細說了。
總之面對這樣類似的問題大家要跳開這倆坑:飛出地球不等於達到逃逸速度;進入軌道失重並不是脫離引力。
好了就回答到這裡吧,我每次回答問題都扯得很遠,因為寫的少了沒人看。
回答中不足請大家指正。
如果按照題主的字面意思,是最終可以離開地球進入太空的。
一般而言「宇宙第一速度=7.9km/s」,可以環繞地球都是有一個前提的,特指在沒有推力的前提下,可以依靠自己的慣性速度進入地球軌道,「第二宇宙速度=11.2km/s」也是指在沒有動力的情況下,依靠速度慣性飛離地球,這兩個速度都是以無動力為前提條件。
而題主所謂的恆定上升速度=1米/s,已是最後狀態的運動狀態,它本身就意味著必定有持續的動力來克服地球引力,所以即便速度很低也可以保持持續上升,如果時間足夠久,是可以離開地球進入太空的。
這個過程中最關鍵的是你有持續的動力克服地球引力,因此速度就不再關鍵,不再需要依靠無動力前提下的慣性速度來克服地球引力。
但假如你最終維持上升的動力停止,則又可能再次落回地球,但如果你離開地球足夠遠,或者最好離開太陽系足夠遠,或許要一光年遠,太陽系的引力足夠弱了,即便是1m/s的速度也可以無動力的維持下去,不會再落回太陽系了。
上面的回答不敢苟同,要逃逸地球必須達到第一宇宙速度。
地球有引力,所以會對錶面的物體產生一個向內的力,有一個很簡單的例子,你原地起跳,可以看成是短時間內的向上加速運動,但相同時間內這需要的能量比你提問的一秒每米的恆定上升力需要的能量大很多。你猛的一跳都跳不出去,更何況一米每秒的速度呢?
地球本身有引力,如果你勻速向上(要保持一米每秒勻速提升這個推力做功會越來越大),那最終的結果是在某一高度你的上升力和引力和向心力平衡,然後被地球「捕獲」,成為地球的「衛星」。這時有一個臨界「層」,如果你想繼續保持向上的一米每秒,那這時你就必須加速突破第一宇宙速度,如果成功則離開地面進入太空(當然此時你的速度已經不是一米每秒了,而是第一宇宙速度),如果你繼續保持向外逃逸,那你的速度將會被動的提升為第二、第三宇宙速度以至於更高。當然還有一種情況,如果你的上升力有限,那你會被地球引力拉回地面。
至於上面回答說一米每秒時間足夠就能突破宇宙達到永恆的就更不敢苟同了。我們現在的宇宙是保持的膨脹的,膨脹的速度遠遠超過一秒每秒,所以一秒每秒的速度是不可能達到宇宙的邊緣的。
首先要明確宇宙速度這個概念,高中物理書上的定義讓我們多少產生了些誤會,以為逃離地球必須要達到第二宇宙速度才行。事實上,宇宙速度的概念有個前提,就是物體除了受目標天體的引力以外不再受其它力作用的情況下所能逃離大質量天體的最小速度。那科學家為什麼不慢慢的以1米每秒的速度離開地球,為什麼要製造火箭呢?原因也很簡單,因為前者所需的能量太大,根本無法實現,試想如果需要的能量越大,則燃料攜帶的越多,燃料多了,質量增大,則需要更多的能量去帶動,如此惡性循環。而如果我們一旦達到第二宇宙速度,我們就不需要燃料就可以離開地球,而且以每秒1米的速度離開地球,需要走更遠的距離才能逃離地球的束縛,一旦1米每秒的推動力消失則物質就會重新落向地球,所以要想用最少的燃料將火箭送出去,我們只要儘可能短時間內將火箭推進到第二宇宙速度就可以了。問題似乎解決了,但還有一句話是如此的震撼以至於深深的印在很多人的心裡,那就是任何物質都無法逃離黑洞,因為逃逸速度大於光速,試問如果你在黑洞上放一把足夠長的梯子,每次爬一格,你能逃出黑洞嗎?答案是當然可以!但是正如剛剛我們說以每秒1米離開地球那樣,那需要非常多甚至無限的能量去離開黑洞(事實上將你身體的所有物質轉化為能量都不能讓你爬上第一個台階),所以以每秒1米的速度逃離地球或者黑洞僅僅在理論上可行,實際操作上幾乎不能實現。
其實呢,你的疑惑就是第一宇宙速度與第二宇宙速度是否必須的問題。這裡我做一個高中知識水平內的科普吧。廣義上來說第一宇宙速度是成為地球衛星的最小相對速度,第二宇宙速度則是脫離太陽系所需要的速度。其實這個定義也不準確,因為太陽系的引力是發散到無窮遠處的,不過好在受到的引力不是一成不變的而是隨著距離減少的,所以最後需要的能量是有限的。所以按照這個公式推算出來的速度飛到太陽系邊界還剩下不少,這是為了不被太陽系重新捕獲的剩餘量,但是注意這裡的兩個速度是說達到以後就不再給予能量的前提下說的。就是說你扔一塊石頭,達到第一宇宙速度可以環繞地球,達到第二宇宙速度可以飛出太陽系,但是持續給予能量則不在討論範圍內,因為你一直給能量前提是能量無限,你當然想去哪就去哪了,這種討論無意義所以就沒提。而你恰恰提出來了,其實這暴露了一部分人知其然不知其所以然的問題,他們知道第一宇宙速度和第二宇宙速度的概念,但是不清楚他們的推導過程和應用範圍,盲目的相信結論所造成的問題,這是科普時候需要注意的。
當然可以了。問題的關鍵不是速度,而是你能不能有保持每秒一米速度的推進器和所需要的能量。然後,每秒一米的速度衝上了太空,你要是能一直保持能量的供應,你甚至能飛出太陽系,飛出銀河系。然而你一旦停止了能量供應,也就是說你不動了,那麼很不幸,你會被拉回來。假設你剛剛以每秒一米的速度升入近地軌道,然後熄火了,不好意思,地心引力會讓你以一個g的加速度下落,進入大氣層,然後落到地上。。。當然你要是以第一宇宙速度升空,情況就不同了。達到了第一宇宙速度進入近地軌道,然後熄火了,那麼你就掉不下來了,你會繞著地球一直轉到死。。。假設你在天上繞著地球飛的時候,又點火了,那麼你就會脫離這個軌道,飛到離地球更遠的軌道上,再熄火,那麼就在你的速度對應的軌道高度接著轉到死。。。假設你在近地軌道減速,也就是反向的推進,你的速度會降下來,不到第一宇宙速度了,然後你就沒法繞著地球一直轉了,就掉下來了。。
肯定能啊,這問題就和假設我每秒走一米,我能不能從某條路的一頭走到另一頭的問題一樣,沒什麼好說的,所謂的第一第二宇宙速度都有一個大前提,就是在理想狀態下,這個狀態就是首先物體不會受到阻力,而一般人們都會理解為在現實的地球表面,這樣肯定會受到空氣阻力的,另一個是物體本身沒有動力。火箭升空最初速度是0但是因為火箭有發動機會有一個向上的升力,所以可以進入太空。所以最後總結起來就是,一個物體在只考慮地球引力的情況下,達到第一宇宙速度,就可以在地球表面飛行而不會掉下去。第二宇宙速度就是只考慮地球引力的情況下,假如你從地面上向上跳起,那麼如果你跳起瞬間速度達到第二宇宙速度,那麼你就可以不再落回地球飛向太空了。第一宇宙速度關鍵是要理解勻速圓周運動,第二宇宙速度關鍵是要理解重力勢能和動能之間可以相互轉化的關係。物理學定律一般情況下都是指理想狀態下的規律,與實際情況有很大的區別。
如果你的助飛器具有連綿不斷的動力,你能離開地球進入太空。如果你的助飛器只有有限的動力,但是能保證你達到7.9km/s,然後動力消失,你能圍繞地球旋轉,達到11.2km/s,你能脫離地球在太陽系內自由飛翔,達到16.7km/s,你能脫離太陽系在銀河系內自由飛翔。不幸的是,助飛器的動力消失,你還沒有脫離地球,你會在原方向做勻減速運動,直到速度為零,然後做自由落體運動掉向地球。
能啊,當然可以,0.1米每秒的速度都可以,只要你是持續運動的,運動方向是向外的。肯定能擺脫地球。
可能有些人會問,第一宇宙速度不是非常大嗎?達不到這個速度是不是就不可以擺脫呢?其實第一宇宙速度指的是物體能繞地球旋轉而不掉下來的速度,而且在不再需要持續推進的條件下的速度。所以這兩種情況前提是不一樣的。如果要在地球表面很近的地方繞地球飛行的還是需要動力推進的,因為有空氣阻力的影響。在太空中就沒有這個問題。
以1米每秒的速度移動的話顯然是需要持續推動的動力源的。而且數量級相當大。
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