这个问题,其实和地球的引力有关。
在天文学中,有一句话叫做质量为王,这是因为质量越大的物体,引力也越大。
根据牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中,对万有引力解释说:任何两个物体之间,都有相互吸引力。
这个力的大小与各个物体的质量成正比,而与他们的距离的平方成反比。具体公式如下:
我们之所以离不开地球,不会飞到太空中去,就是因为人与地球质量相差太悬殊。想要离开地球,就要达到一定的速度。
那么问题来了,速度达到多少时,才可以飞到太空中去呢?
第一宇宙速度
牛顿曾经描述过一个场景,假设在一座高山上有一座威力巨大的大炮,那么发射出去的炮弹的速度也会足够快,足够快的炮弹就可以围绕着地球转个不停,像卫星一样围绕着地球,永远不会落下来。
牛顿的理想实验中,炮弹的速度是每秒7.9千米,这时地球的引力虽然还在起作用,但地球是圆的,物体每往下落多少米,地平线也会相应下降多少米,这样,这枚炮弹就永远不会掉下来了。(不考虑大气作用)
虽然牛顿的时代,牛顿大炮实验只存在在理论之中,但今天科学家们早已把它变为现实,人造卫星的发射,已经验证了当物体达到每秒7.9千米时,就可以到达一定高度,不会落入地面。后来,人们也把这个速度叫做第一宇宙速度。
第一宇宙速度和星球自身的质量有关,公式为:
看不懂也没关系,最后推导结果为v(速度)=7.9km/s时,在不考虑大气的作用下,卫星即使停止运动,也不会掉下来,但现实中高空之中仍有稀薄大气,因此现在的人造卫星还需要燃料加速,才能保证不会掉下来,但速度远低于7.9km/s。
第二宇宙速度
虽然达到第一宇宙速度可以保证物体不会落回地面(不考虑大气作用),但实际上还没离开地球,物体还在地球引力的作用下,围绕着地球做圆周运动。比如人造卫星,就是在第一宇宙速度中运动。
如果想要离开地球,其实就要摆脱地球的引力。具体来说,就是用速度战胜引力,因此这个速度叫做逃逸速度,也称之为第二宇宙速度。
那么,速度达到多少,才可以摆脱地球的引力呢?
科学家有计算过,当速度达到第一宇宙速度的根号2倍,就可以摆脱天体的引力束缚了,通过计算我们可以得知,地球的第二宇宙速度是11.2km/s。
具体计算方法如下,大家看看就行了,看不懂也没关系。
实际上,虽然科学家计算出了这个速度,但由于地球表面的大气层比较浓密,因此很难让飞行器在地面上就达到这个速度,所以,一般情况下是先让航天器离开大气层(不同的大气层,气压不同),到达空气相对稀薄的近地轨道时,再在这时加速。这样的设计方法可以让整个飞行器更加节约燃料。