一定要达到第一宇宙速度才能脱离地心引力,原因是什么?
当航天器达到第一宇宙速度时,并没有完全脱离地球的引力,里面的宇航员并没有超重。当航天器达到第一宇宙速度时,如果速度方向与地球引力方向有一定角度,航天器的惯性力将与引力形成动态平衡。宇宙飞船将围绕地球飞行。因此,在这种情况下,不能说航天器脱离了地球的引力。宇航员不是超重,而是微重力或失重。因为宇航员也处于这种与航天器力平衡的状态。当航天器离开地球表面,从零加速到第一宇宙速度时,宇航员就处于超重状态。
加速越大,超重的感觉就越强烈。一般加速度可以达到5~7g,这意味着宇航员要承受5~6倍于地球表面的重力。如果普通人不经过训练,很难承受这种五六倍的超重状态。只有经过超重训练,宇航员才能适应这种超重状态。加速飞行通常需要十多分钟。在这段时间后,航天器达到第一宇宙速度,转为基本均匀的飞行状态,绕地球飞行,宇航员又进入失重环境。
在地球飞向宇宙的运动状态中,将在加速状态下超重。在无自身动力的状态下,就是失重。失重并不是说没有重力,而是物体之间没有压力。站在秤上会显示0。问题说,它已经达到了第一个宇宙速度。很明显,飞行舱不再需要动力,也就是进入失重状态。这取决于有多少人感受不到重力。这取决于人们的感受。例如,当它距离地面6400公里时,它距离地球中心12800公里。
距离增加一倍,重力减少到1/4,这时人们能感觉到重力吗?当然!因为月球上的人类重力只有地球上的1/6。距离翻倍,25600公里。这时,重力下降到1/16。人们还能感觉到它吗?我认为有些人会感觉到,有些人不能。这纯粹是猜测,没有实验数据的支持。所以这个问题没有解决办法。从另一个角度看,这是不一样的。在失重状态下,人们无论离地球多远,都能感觉到地球的重力。人们在太空舱中围绕地球移动。因为重力被离心力抵消了,人们感觉不到重力。这是被实践证实的结论。
这种例子在地球上也很常见,比如将一些黄豆放在旋转的圆盘上,黄豆会因为旋转而飞出圆盘。绳子一头拴上重物,握住另一头转动绳子。重物会把绳子拉紧,松开手,重物会飞出去。
圆周运动的离心力可以用公式表示,F=mv^2/r。当离心力等于地球引力时,飞行器做圆周运动。地球引力也就是万有引力可以用公式表示,F=GMm/r^2。让二者相等得到,v^2/r=GM/r^2。简化得到,v^2=GM/r。这里G是万有引力常数6.67*10^-11,M是地球质量5.965*10^24千克。r是飞行器距离地心距离,等于地球半径加强飞行器高度大约是6500千米。经计算这个速度是7.9千米每秒,也就是第一宇宙速度。