宇宙速度是物体从地球出发,脱离天体重力场的4个代表性初始速度的总称 。第一、二、三、四宇宙速度,分别是地球上发射的物体绕地球飞行进行圆周运动、飞过地球、飞出太阳系、飞出银河所需的最小初始速度 。第一、二、三、四宇宙速度分别在7.9km/s、11.2km/s、16.7km/s、525km/s以上 。
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【宇宙速度是多少?】第一宇宙速度
航天器沿地球表面作圆周运动时所需的发射速度、第一宇宙速度,也称为环绕速度,以下记为v1 。根据力学理论可以计算出v1=7.9公里/秒 。但是,根据正确的计算,宇宙飞船在距离地面数百公里以上的上空运行,地球对宇宙飞船的重力比在地面时稍小,因此其速度也比v1稍小 。
三大宇宙速度v1计算
设第一宇宙速度为v1,地球质量为m,卫星质量为m,地球半径为r,万有引力常数g,地球表面重力加速度g 。绕以地球为半径的轨道旋转的速度是万有引力=向心力 。其中,由于近地,万有引力为mg,即
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得
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过几天再拿
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得
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第二宇宙速度
航天器超过第一宇宙速度v1达到一定值时,脱离地球重力场成为绕太阳运转的人造行星,该速度称为第二宇宙速度,也称为脱离速度 。摆脱地球的束缚,意味着几乎不受地球重力的影响,这等效于位于离地球无限远的点 。值得注意的是,由于月球尚未超出地球重力范围,从地面发射月球探测器不需要达到第二宇宙速度v2,实际上初始速度只要在10.848 km/s以上即可 。
三大宇宙速度v2计算
设第二宇宙速度为v2,地球质量为m,卫星质量为m,地球半径为r,万有引力常数g,地球表面重力加速度g 。发射后,所有动能都转化为重力势能,卫星从地球运行到无限远(机械能守恒) 。
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然后,那个
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也就是说
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所以呢
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第三宇宙速度
从地球表面发射航天器、飞出太阳系、漫游浩瀚银河系所需的最小发射速度称为第三宇宙速度 。也称为逃逸速度 。根据力学理论,可以计算出第三宇宙速度V3=16.7公里/秒 。需要注意的是,如果选择航天器进入轨道的速度与地球公转速度的方向一致时计算出的V3值即方向不一致,则所需速度将超过16.7公里/秒 。航天器的速度是摆脱地球乃至太阳引力的唯一因素,可以说只有火箭才能突破这个宇宙速度 。
三大宇宙速度v3计算
能够脱离太阳重力到达无限远的最小速度 。这样,只需将第二宇宙速度方程式中的地球质量置换为太阳的质量,将地球半径置换为地球公转轨道半径即可 。但不同的是,解开速度后,减去地球的公转速度是最终的第三宇宙速度——地球的公转已经提供了一定的动能 。另外,发射速度都是针对地球的 。
如果将距离太阳表面无限远作为0势能基准面,则存在(不考虑地球的重力)
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(vRE为人造天体相对太阳的速度,m为人造天体的质量,r为平均日地距离,m为太阳质量)
解开了
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v绕太阳从地球转=29.8km/s
知v’=42.2-29.8=12.4 km/s
以r'为地球半径,以m'为地球质量
另外,发射时必须克服地球的重力工作,所以有机械能守恒定律
1/2mv1-GM' m/r‘=1/2mv’1
GM'm/R'=1/2mv21
1/2mv1-1/2mv21=1/2mv’1
得到v=(v21v'1)1/2=16.7km/s
第四宇宙速度
第四宇宙速度是指地球上发射的物体摆脱银河系重力的束缚,飞出银河系所需的最小初始速度 。但是,银河系的正确大小和质量还不知道,所以只能粗略估算 。那个数值在525公里/秒以上 。实际上,还没有宇宙飞船能达到这个速度 。
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