如果以低于第一宇宙速度的速度向地球外飞行,能脱离地球引力吗?

第一宇宙速度

关于这个问题,我们要搞懂第一宇宙速度到底是什么,具体的数值是多少。

实际上,我们高中都学过想要摆脱地球的引力,至少需要的是第二宇宙速度。地球的第二宇宙速度是11.2km/s,而第一宇宙速度是7.9km/s,而从地球出发想要摆脱太阳引力的最小速度叫做第三宇宙速度,是16.7km/s。

那这个第一宇宙速度是咋来的呢?

其实特别简单,就是假定人造飞行器绕着地球表面做圆周运动,通过“万有引力=向心力”,联立公式,就可以求得第一宇宙速度v1。(这里设地球的质量M,地球半径R,人造飞行器的质量m,G是引力常数,g是重力加速度。)

然后把地球半径数值和重力加速度常数带入就会得到7.9km/s,从整个求解过程,我们应该知道的是这里设定的是飞行器贴着地球表面在飞行,实际上,要达到什么样的预定轨道还需要不同的半径取值。

所以,按照这个逻辑,如果一个飞行器的速度低于第一宇宙速度飞行,也就是低于7.9km/s,能摆脱地球的引力么?

这其实要具体问题具体分析,一共分两种情况:

有持续的动力输出,维持速度。只有一定的初速度,或者达到一定速度后就停止加速。

持续的动力输出

如果一个飞行器可以有持续输出动力,保持一定的速度飞,那它就是可以飞出地球的,并且摆脱地球引力。因为要摆脱地球就要消耗能量,只要消耗足够的能量,飞行器就可以离开地球的引力场,这一点也不算复杂。不仅如此,飞出太阳系都不是什么问题。这也就是为什么飞机即使远远达不到第一宇宙速度,它也可以一直飞。(如果一直有油的话)

当然,持续的输出动力在实际操作中是不可能的,这意味着要带无限多的燃料,但燃料本身也占一定的重量,因此,基于系统复杂度等情况,火箭大多都是2-4节的,基本上不会超过5节,而它们执行任务也只是推进到一定的速度条件就不再持续输出动力了。

所以,更常见的其实是第二种类型:具有一定的初速度,或者达到加速到一定速度后就停止加速。那这种情况下,低于第一宇宙速度还能摆脱地球的引力么?

牛顿大炮

想要了解这个问题,我们可以从牛顿思考万有引力的路径来思考这个问题。首先,我们要确定一点,尽管看来很平,但那地球就是球形的,这就意味着大地其实是弯曲的。如果我们拥有一双“千里眼”,意思是我们可以看到无限远,那么我看到的大地就是向下弯曲的。也就是下图的图二的情况,而不是图一。

那这有为什么问题呢?假设你有个理想的大炮,然后你站在北极。那么如果你举起一个炮弹,然后松手,这个时候,炮弹就会原地掉落在地面上,就像下图中的情况这样,说白了就是来了一把自由落体。

如果,你使用大炮来打炮弹,这个炮弹打出去之后的速度是小于第一宇宙速度(7.9km/s),那么会咋样呢?

会像下图所示的那样,最后掉到地面上,只不过会距离初始位置有一定的距离。那为什么会这样呢?

我们可以对这个运动进行拆解,把它看成是一个平抛运动。水平方向其实就是炮弹的速度,而竖直方向这是在地球引力的作用下的自由落体运动,像下图这样。

但是在地球上的情况和上图唯一不一样的是,大地不是平的,而是曲的,而且还是向下曲的。这就意味着,地面也是向下移动的。但是呢,飞行器向下的速率比地球表面向下的速度要快,于是,就会最后掉到地面上。因此,低于第一宇宙速度是不可能飞出地球的,连绕着地球运动都做不到。

那要如何才能呢?

这时候我们把炮弹的速度调节到第一宇宙速度,这时候,竖直方向上,虽然还是在地球引力作用下向下落,但是飞行器下落的距离恰好和地球表面下降的距离是相等的。于是,就会出现飞行器绕着地球转的情况。

这也就是为什么第一宇宙速度下,飞行器可以贴着地球表面飞行的原因。(这里其实运用了理想模型的,实际上地球并不是一个完美的球形。)

那如何才能摆脱地球的引力呢?

其实还是可以继续使用整个思路,我们继续给炮弹加速,整个速度加到第二宇宙速度甚至更大一下,这时候速度串出去特别远,而竖直方向着只运动的一点点,地球表面下降的速率远远高于炮弹竖直方向上下落的距离,这个时候就能够摆脱地球的引力,离开地球。(当然,实际上,更加严谨推理的过程是从能量的角度去着手的,这里只是介绍一下牛顿思考万有引力的思路。)

所以,要求飞行器达到什么样的速度,并不是随便来的,而是非常严谨的推导过程,而要摆脱地球引力,就至少需要达到第二宇宙速度11.2km/s。这里在补充一句,其实这是在地球上发射飞行器的结果,对于不同的天体,就有不同的宇宙速度,和地球是不一样的。

因此,持续加速的话,是可以摆脱地球引力的,但如果只是加速到一定速度后就停止加速,并且这个速度低于第一宇宙速度,那就无法飞出地球,更不要说摆脱地球引力了。