中国空间站速度才7.68公里/秒,低于第一宇宙速度会掉下来吗?( 二 )


一个绕圆心做圆周运动的物体 , 它的向心力(与“离心力”大小相等方向相反)F受两个因素影响 , 一是它的向心加速度a , 另一个是它自身的质量m 。用公式表现为:
F=ma
其中向心加速度a与切线运动速度v以及运动半径r的关系如下:
a=(v^2)/r
所以:
F=m×(v^2)/r
对于一颗绕地球做圆周运动的卫星来说 , 它要保持不掉下来(r稳定) , 需要做到地球对它的引力与运动产生的“离心力”大小相等、方向相反 。于是:
F=Gm1m2/(r^2)=m2(v^2)/r
v^2=Gm1/r
我们知道 , 地球的质量m1是固定的 , G是万有引力常数 , 于是卫星的轨道速度v只受r的变化影响 , 与卫星的质量大小没有关系 。
中国空间站速度才7.68公里/秒,低于第一宇宙速度会掉下来吗?
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卫星轨道越低速度越快
那么 , 什么是第一宇宙速度呢?
第一宇宙速度是指一个物体贴着海平面飞行(不考虑空气升力和阻力)时 , 它不落回地面的速度 。海平面到地心的距离就是地球的平均半径r , 它的值约为6371.4千米 。那么:
v^2=Gm1/r ≈ 6.67×(10^-11)× 5.965×(10^24)/6371400
v ≈ 7.91 km/s
我们将这个海平面飞行速度(v)7.9公里/秒称为“第一宇宙速度” , 也就是绕飞地球的速度 。
事实上没有一颗卫星能做到以如此快的速度贴着海平面飞行 。为了克服空气阻力 , 我们需要将它发射到100公里以上的大气层外边 。于是上边公式中的r就变大了 。
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天宫空间站在388.6公里高度飞行
按照中国空间站388.6公里的平均轨道高度算:
r = 6371.4 + 388.6 = 6760公里
代入轨道速度计算公式后得出:v ≈ 7.68 km/s
这个值显然小于7.91公里/秒的第一宇宙速度 。
中国空间站速度才7.68公里/秒,低于第一宇宙速度会掉下来吗?
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天宫空间站轨道参数
由此我们可以得出结论:
在轨飞行的航天器 , 无论是卫星、飞船还是更大更重的空间站 , 只要它是在近圆轨道上飞行 , 其轨道高度越高 , 飞行的速度就越慢 。位于3.6万公里高度的静止轨道卫星的速度只有3.1公里/秒 , 远低于第一宇宙速度 。
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地球同步卫星速度为3.1公里/秒
对于处在椭圆轨道上飞行的卫星(比如我国第一颗卫星“东方红一号”)而言 , 它的轨道速度是在一个区间里不断变化 。有些通信卫星为了在它感兴趣的地区能逗留更长时间 , 特意采用了一种高度椭圆的轨道(Molniya轨道) , 它的轨道速度在1.5-10公里/秒的范围内不断变化 。
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俄罗斯核预警卫星轨道方便监视北半球
因此 , 如果有人告诉你天上卫星的速度都是第一宇宙速度 , 那是他对轨道速度的概念有误解 。
#中国空间站#
【中国空间站速度才7.68公里/秒,低于第一宇宙速度会掉下来吗?】来源:老粥科普