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本文基於(yu) 回答網友問題:一個(ge) 成人從(cong) 地球走到月球需要多久?
這是一個(ge) 瞎扯淡的問題,一個(ge) 成年人光憑兩(liang) 條腿,永遠也走不出地球,怎麽(me) 可能走到月球呢?但如果理解為(wei) 地月距離,憑人類的行走速度,需要多久能走這麽(me) 長的距離,這就是個(ge) 簡單小學數學題了。
地月距離平均為(wei) 38.4萬(wan) 千米,1個(ge) 成年人按照不快不慢的速度每小時可走約4千米,每天按照上班時間來計算,走八小時,就是32千米。這樣就要走12110天,每年約365.25天,就要走約33.16年。根據不同人走得快慢,每天走的時間多少,要走多久就可以根據實際情況調整。
但做這樣一道小學數學題有什麽(me) 意義(yi) 呢?
人類如果要離開地球,首先就得克服地球引力,克服的方法就是速度,采用的設備目前主要是火箭,飛天的火箭根據前往目的地不同,一般要求達到三個(ge) 宇宙速度其中的一個(ge) 。何謂三個(ge) 宇宙速度?這是科學家們(men) 根據地球引力,計算出來與(yu) 引力抗衡的速度。
第一宇宙速度為(wei) 每秒7.9千米,達到了這個(ge) 速度就能夠與(yu) 地球引力抗衡,在一定高度圍繞著地球旋轉,既不被地球引力拉扯下來,也不會(hui) 脫離地球引力飛走,因此又叫環繞速度;第二宇宙速度為(wei) 每秒11.2千米,達到這個(ge) 速度,就可以脫離地球引力,飛向其他的行星,因此又叫脫離速度;第三宇宙速度為(wei) 每秒16.7千米,達到這個(ge) 速度,就可以在地球這個(ge) 位置脫離太陽引力,飛往太陽係以外,因此又叫逃逸速度。
還有第四宇宙速度,就是脫離銀河係的速度,這裏就不扯遠了。
實際上,第二宇宙速度就是地球的逃逸速度,也就是可以逃逸地球引力的速度。根據地球在太陽係的位置以及與(yu) 太陽和太陽係其他星球的關(guan) 係,我們(men) 可以計算出地球的引力影響範圍(希爾球半徑)約為(wei) 150萬(wan) 千米,也就是說,在這個(ge) 範圍內(nei) ,你沒有達到第二宇宙速度,最終都要被地球拉拽回來。
月球距離地球38.4萬(wan) 千米,因此依然在地球的引力圈內(nei) ,所以月球才會(hui) 被地球引力拉扯著圍繞自己公轉。因此人類要前往月球,速度就需要達到第一宇宙速度和第二宇宙速度之間,一般要達到每秒10~11千米左右。
而到達月球並非是一條直線就到達了,因為(wei) 地球在自轉和公轉,月球也在公轉,而且為(wei) 了達到更高速度,航天器要圍繞地球做幾圈環繞動作,以提升到預定速度,因此發射航天器到月球,實際行駛的距離遠遠不止38.4萬(wan) 千米。
如果按照每秒11.2千米的速度,走完38.4萬(wan) 千米,隻需要不到10個(ge) 小時。但事實上,所有航天器前往月球都要飛幾天。
如上世紀阿波羅11號載人登月飛船,於(yu) 1969年7月16日9時32分發射,到7月19日才到達月球附近,7月20日20點17分43秒實施了在月表登陸;我國2020年11月24日發射的嫦娥五號,也是用了4天,於(yu) 11月28日才到達月球軌道。
發射到月球的航天器,速度當然還可以更快,甚至超過第三宇宙速度,但這樣到達月球後刹車的難度就更大,刹車距離就更遠,消耗的刹車燃料就更多,就會(hui) 得不償(chang) 失,因此一個(ge) 合適的速度才是最經濟效率最高的。
引力公式為(wei) :F=GMm/r^2,這裏的F表示引力大小值,G代表引力常數,M和m表示引力作用雙方質量,r為(wei) 引力作用雙方質心距離。從(cong) 引力公式,我們(men) 可以看出,引力大小與(yu) 質量成正比,與(yu) 距離平方成反比。這就說明距離越遠引力衰減得就越快。
因此,所謂三個(ge) 宇宙速度都是地球表麵離開地球需要達到的速度。到了月球這個(ge) 位置,脫離地球引力所需速度就小多了,根據第二宇宙速度公式v=√(2GM/R)計算,在月球這麽(me) 遠的地方脫離地球引力速度“v”,隻需要每秒1.44多點千米就行了。
但如果你靠近了月球,又會(hui) 被月球引力拉扯,這時月球對你的引力就大於(yu) 地球了。月球表麵逃逸速度為(wei) 每秒2.37千米,環繞速度要達到每秒約1.7千米。因此到了月球附近,需要有每秒約1.7千米以上的速度才能夠不被月球拉扯下去,每秒2.3千米以上速度才能逃出月球引力。
三個(ge) 宇宙速度,隻是指在地球地表能抗衡地球引力的初始速度。有許多朋友老弄不清這個(ge) 問題,常問如果一直有燃料保持速度,可以不需要達到三個(ge) 宇宙速度,就能慢慢脫離地球引力嗎?我的回答是:當然可以。
但問題是,這需要極大的燃料消耗,火箭或飛船就需要帶足夠巨量的燃料;而巨量燃料又會(hui) 大大加大了火箭起飛重量,這樣又要增加更多的燃料用於(yu) 起飛這些增加的燃料和設備重量,這樣就會(hui) 形成一個(ge) 惡性循環,根本無法起飛。
因此科學家們(men) 發現計算出來的環繞速度、脫離速度、逃逸速度,是迄今為(wei) 止航天發射需要達到的初始速度,是抗衡地球引力最科學最節省燃料的發射方式。火箭發射達到了初始速度後,已經飛出大氣層,已經沒有了空氣阻力,就隻需要極少的燃料進行加速、減速和變軌了,主要依靠慣性或者天體(ti) 引力彈弓效應提升速度,飛往遙遠的目標。
人類認識了引力的奇妙作用後,利用這個(ge) 已經認識的自然規律,才能夠走出地球,飛向深空。人如果不借助飛行器,再怎麽(me) 蹦躂,也蹦不了幾米高,如何走到月球?因此本文隻是利用這個(ge) 無厘頭的問題,簡單普及一下引力與(yu) 速度之間科學常識,供各位參考。
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