火箭以每秒1米的速度,能摆脱地球引力,进入到太阳系空间吗?
在17世纪的时候,牛顿发现,如果想要彻底摆脱地心引力,而且还不想撞上太空中的其它天体,就需要达到7.9km/s的速度。同时在21世纪,要是想要进入太空,必须要达到7.9km/s的速度。
而根据火箭的推进方式,这种速度是肯定会有的,也就是说火箭是肯定能够摆脱地心引力的。但是有一些朋友或许会有疑问,要是火箭的速度只有1m/s,那还能不能进入太空呢?答案是否定的,因为一个火箭如果以每秒1米的速度上升进入太阳系的空间的话,那么所花费的时间要超过一天。那么这样一来又会遇到什么困难呢?
火箭速度。
当一个物体到达地球的极限速度7.9km/s之后,就完全能够摆脱地心引力的约束,进入到太空的飞行状态。同时我们也能够根据物体的引力和速度来计算出,进入轨道所需要的速度。在17世纪,牛顿就发现了,要是想让一个物体进入轨道的话,那该物体就需要达到7.9km/s的速度。
因此可以进行如下推导:
假设在高度为h的地方,速度为v的物体向上发射,那其动能和引力能可以表示为Ek=mv^2/2和Ep=-GMm/r。这里r表示的是地球半径加上高度h,所以上升的物体所受重力为mg=GMm/r^2。因此上升物体所受的重力外力为-ma=-GMm/r^2,m为物体的质量,因此可以进一步的推导出:a=-GM/r^2。
同时根据牛顿第二定律F=ma,可以将公式改写为:
-ma=-GMm/r^2。
因此可以推出:
a=GMr^2/r^2=GM/r^2。
最终可以有如下公式:
a=GM/r^2。
因此在物体上升到h高度的时候,动能和引力能的和可以表示为:
mgh^2/2=GMm/r。
所以可以得出:
v=sqrt(2g*h)=sqrt(GM/r)。
可以看到,上式的速度v与物体的质量m无关,对所有的物体都成立。
假设一个物体在高度为0的时候,速度为v的话,那么在高度为h的地方,它的速度再高点的话,就能够飞得更远。
当速度达到v时,上升物体的速度为0。
同时引力将物体拉向地球,而速度的矢量方向为上升方向,因此速度方向与引力方向相反,因此上升物体在速度为v的时候,就能够被征服。
同时还可以计算出,速度为v的时候,速度最大也就是v,速度最小也不可能小于0,因此可以说,物体在速度为0到v之间都能够进入太空。
但是这力求上升的物体,最终还是会落回到地表。
对于不上升,又不掉落的物体,此时所受的重力和速度方向相反,因此也能够计算出,物体所受的力与速度的平行关系。
低速航天.
一个物体要想进入太空,必须要达到7.9km/s的速度,当物体的速度小于7.9km/s的时候,飞船将受到地心引力的影响,因此也就无法离开地球。
同时根据火箭的推进方式来看,目前的火箭是通过燃烧燃料的方式进行推进的。
当燃料燃烧时,产生的气体会逃逸出去,那么我们也就可以根据这一以推算出火箭的速度。
例如,美国的阿波罗11号,就曾经以每秒11.2km/s的速度进入太空,从而让宇航员登上月球的表面。
而阿波罗11号发射的时候,它的质量为3000000千克,其中有2400000千克为燃料,那么根据牛顿第二定律可以得出火箭的质量为m=600000千克。
同时物体所受的力为F=ma=60000011.2^2=750000000N,但是火箭所受的重力大小为mg=6000009.8=5880000N,因此火箭所受的力要大于重力的力。
同时假设一个火箭体积为1000m^3,则其密度为750kg/m^3,所以可以计算出其质量为m=7501000=750000千克。
而在火箭所受的引力方向,有重力和推力,根据受力的方向,可以推算出火箭的质量和速度。
另外如果想要将火箭的速度增加到7.9km/s的话,还需要达到一定的高度。
太空。
一个火箭的速度,是取决于火箭的推进方式的。
如果一架飞机靠的是螺旋桨飞,那么它的速度一定是有限的,从而也无法实现飞的更高。
如果一个飞机靠的是喷气推进,那么它的飞行速度就会更快一些,从而也能飞得更高。
因此说,宇宙飞船的飞行速度,是由其推进方式决定的,而不是取决于宇宙飞船本身。
就像上面所述,如果一个极快的物体在地球的上空,以每秒1米的速度向上飞,那它也能够进入太空。
同样一艘宇宙飞船,如果它拥有一种全新的推进方式,能以每秒1米的速度的速度飞,那么它也能飞出地球逃逸出地心引力范围。
那么这种推进方式是什么?
目前的火箭是通过燃烧燃料的方式进行推进的,因此也需要大量的燃料,也就是说,火箭的飞行速度是有限的。
因此只能沿着预设的轨道进行飞行,不然就会发生撞向太阳和撞到太阳系其他的天体。
而目前的科技水平是不可能研究出一种不需要燃料,也不受外在影响的推进方式的。
但是在未来,我们可能会研究出对抗重力的反重力机制,无视物体的质量,甚至还能让物体进行飞行。
甚至要是太空电梯真的能够被科学家研究出来,其所能达到的速度远远不止每秒一米。
但是即便是拥有不同飞行方式的宇宙飞船,如果一个火箭以每秒一米的速度进入太空,那么它所需要消耗的燃料是巨大的。
那么为什么以每秒1米的速度的火箭所消耗的燃料是海量呢?
因为他们的速度太慢了。
要是按照7.9km/s的速度来看的话,所需要的燃料经过计算后就可以发现,这些燃料的重量加起来超过了地球质量的一半。
反之,地球的质量约为6*10^24千克,如果火箭要是想要进入太空的话,就必须要达到7.9km/s的速度。
那同样的燃料,就无法推火箭进行飞行,因此火箭只能携带足够的燃料,这些燃料还得是轻量化的,才能够到达成就目标。
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