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地球速度達30千米/秒,比第3宇宙速度快很多,為何沒飛出太陽系?

數百年前,人類曾經認為地球就是宇宙的中心,日月星辰都在圍繞着地球運動,後來人類才漸漸意識到這種觀點太天真了。時至今日,我們早已知道地球隻不過是太陽系中的一顆行星,它與太陽系中的衆多天體一起圍繞着太陽公轉。

我們都知道,第1、第2和第3宇宙速度分别為7.9千米/秒、11.2千米/秒、16.7千米/秒,它們分别對應一個物體在僅憑自身慣性,并且不計阻力的情況下環繞地球運行、脫離地球引力場以及飛出太陽系所需的最低速度。

據此我們似乎可以認為,在圍繞太陽公轉的過程中,地球的運動速度應該比第3宇宙速度慢才對,然而實際情況卻并非如此,因為現代科學早已确認,地球的公轉速度大約為30千米/秒。所以問題就來了,地球速度達30千米/秒,比第3宇宙速度快很多,為何沒飛出太陽系呢?

對于一個天體而言,當其附近的某個物體運動速度達到了一個特定的值,這個物體就可以脫離該天體的引力場,這個速度就被稱為該天體的“逃逸速度”,這可以通過一個簡單的公式“V = 根号下(2GM/R)”來進行計算(公式中的G、M和R分别指引力常量、天體質量以及該物體與天體質心之間的距離)。

我們将地球質量(約5.965 x 10^24千克)、地球半徑(約6371000米)代入上述公式,再将引力常量取值6.67 x 10^11,就可以計算出地球表面的逃逸速度約為11.2千米/秒,可以看到,這其實就是我們常說的第2宇宙速度。

利用同樣的方法,我們也可以根據太陽質量(約1.989 x 10^30千克)、日地平均距離(約1.5 x 10^11米)計算出,在地球的位置上,物體相對太陽的逃逸速度約為42.2千米/秒。

也就是說,地球的運行速度必須要達到42.2千米/秒,才可以脫離太陽的引力場,進而飛出太陽系,顯而易見的是,由于地球的速度隻有30千米/秒,遠低于太陽的逃逸速度,因此“地球沒有飛出太陽系”這種現象也就是理所當然了。

那為什麼第3宇宙速度隻有16.7千米/秒呢?其實第3宇宙速度指的是,地球表面的物體在僅憑自身慣性,并且不計阻力的情況下飛出太陽系所需的最低速度,也就是說,第3宇宙速度是以地球作為靜止參照系的。

地球30千米/秒的公轉速度,是以太陽作為靜止參照系,這就意味着,假如我們在地球表面沿着地球公轉方向發射航天器,就可以借助到地球的公轉速度,在此基礎上,隻需要再增加12.2千米/秒的速度,航天器就可以達到太陽的逃逸速度42.2千米/秒,進而飛出太陽系。

然而12.2千米/秒并不是第3宇宙速度,這是因為航天器還必須克服地球的引力束縛。從能量的角度來講,從地球表面發射的航天器飛出太陽系需要的最低動能,其實就是地球表面的逃逸速度(也就是第2宇宙速度11.2千米/秒)所對應的動能,再加上12.2千米/秒的速度(即地球公轉速度與太陽逃逸速度的差值)所對應的動能。

我們知道,物體的動能與其運動速度的平方成正比,這裡我們将地球的逃逸速度記作V,将地球公轉速度與太陽逃逸速度的差值記作ΔV,就可以得到,從地球表面發射的航天器飛出太陽系需要的動能所對應的速度 = 根号下(V^2 + ΔV^2)。

簡單計算後就可以得出,這個速度約為16.56千米/秒,其實這就是第3宇宙速度,至于為什麼不是16.7千米/秒,其實是因為我們取值的精度問題,實際上,在上述的計算過程中,假如我們将地球的公轉速度取值為更精确一點的29.8千米/秒,就可以得到“16.7千米/秒”這個近似結果。

總而言之,因為地球的公轉速度是相對于太陽而言,而第3宇宙速度是相對于地球而言,所以我們不能将這兩種速度進行直接比較。

好了,今天我們就先講到這裡,歡迎大家關注我們,我們下次再見。

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