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地球速度达30千米/秒,比第3宇宙速度快很多,为何没飞出太阳系?

数百年前,人类曾经认为地球就是宇宙的中心,日月星辰都在围绕着地球运动,后来人类才渐渐意识到这种观点太天真了。时至今日,我们早已知道地球只不过是太阳系中的一颗行星,它与太阳系中的众多天体一起围绕着太阳公转。

我们都知道,第1、第2和第3宇宙速度分别为7.9千米/秒、11.2千米/秒、16.7千米/秒,它们分别对应一个物体在仅凭自身惯性,并且不计阻力的情况下环绕地球运行、脱离地球引力场以及飞出太阳系所需的最低速度。

据此我们似乎可以认为,在围绕太阳公转的过程中,地球的运动速度应该比第3宇宙速度慢才对,然而实际情况却并非如此,因为现代科学早已确认,地球的公转速度大约为30千米/秒。所以问题就来了,地球速度达30千米/秒,比第3宇宙速度快很多,为何没飞出太阳系呢?

对于一个天体而言,当其附近的某个物体运动速度达到了一个特定的值,这个物体就可以脱离该天体的引力场,这个速度就被称为该天体的“逃逸速度”,这可以通过一个简单的公式“V = 根号下(2GM/R)”来进行计算(公式中的G、M和R分别指引力常量、天体质量以及该物体与天体质心之间的距离)。

我们将地球质量(约5.965 x 10^24千克)、地球半径(约6371000米)代入上述公式,再将引力常量取值6.67 x 10^11,就可以计算出地球表面的逃逸速度约为11.2千米/秒,可以看到,这其实就是我们常说的第2宇宙速度。

利用同样的方法,我们也可以根据太阳质量(约1.989 x 10^30千克)、日地平均距离(约1.5 x 10^11米)计算出,在地球的位置上,物体相对太阳的逃逸速度约为42.2千米/秒。

也就是说,地球的运行速度必须要达到42.2千米/秒,才可以脱离太阳的引力场,进而飞出太阳系,显而易见的是,由于地球的速度只有30千米/秒,远低于太阳的逃逸速度,因此“地球没有飞出太阳系”这种现象也就是理所当然了。

那为什么第3宇宙速度只有16.7千米/秒呢?其实第3宇宙速度指的是,地球表面的物体在仅凭自身惯性,并且不计阻力的情况下飞出太阳系所需的最低速度,也就是说,第3宇宙速度是以地球作为静止参照系的。

地球30千米/秒的公转速度,是以太阳作为静止参照系,这就意味着,假如我们在地球表面沿着地球公转方向发射航天器,就可以借助到地球的公转速度,在此基础上,只需要再增加12.2千米/秒的速度,航天器就可以达到太阳的逃逸速度42.2千米/秒,进而飞出太阳系。

然而12.2千米/秒并不是第3宇宙速度,这是因为航天器还必须克服地球的引力束缚。从能量的角度来讲,从地球表面发射的航天器飞出太阳系需要的最低动能,其实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)所对应的动能,再加上12.2千米/秒的速度(即地球公转速度与太阳逃逸速度的差值)所对应的动能。

我们知道,物体的动能与其运动速度的平方成正比,这里我们将地球的逃逸速度记作V,将地球公转速度与太阳逃逸速度的差值记作ΔV,就可以得到,从地球表面发射的航天器飞出太阳系需要的动能所对应的速度 = 根号下(V^2 + ΔV^2)。

简单计算后就可以得出,这个速度约为16.56千米/秒,其实这就是第3宇宙速度,至于为什么不是16.7千米/秒,其实是因为我们取值的精度问题,实际上,在上述的计算过程中,假如我们将地球的公转速度取值为更精确一点的29.8千米/秒,就可以得到“16.7千米/秒”这个近似结果。

总而言之,因为地球的公转速度是相对于太阳而言,而第3宇宙速度是相对于地球而言,所以我们不能将这两种速度进行直接比较。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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