第一、第二、第三宇宙速度都经常提,为什么很少有人说第四宇宙速度?
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因为不好用,“食之无味弃之可惜”来形容第四宇宙速度正合适,为什么这么说?先了解一下几个宇宙速度的基本定义再解答。
第一宇宙速度:环绕速度。
第一宇宙速度又称:航天器最小发射速度、航天器最大运行速度、环绕速度,是指以地面为参照物达到7.9千米每秒的运行速度。简单来说,当你在地球上,以这个速度扔出一个物体之后,这个物体就可以一直围绕着地球做匀速圆周运动,而不会落向大地。
第一宇宙速度对于我们最主要的运用,就是人造卫星了。人造卫星的出现改变了现代人的生活,但实际上环绕地球的卫星,会比这个速度小一点。
因为,按照力学理论计算出的 7.9 公里/秒,只能保证卫星沿着地球表面运行。实际上,地球表面存在稠密的大气层,卫星不可能贴近地球表面作圆周运动,必需在 150 公里以上,才能绕地球作圆周运动。随着高度的增加,地球对卫星的引力会减小,因此在此高度下的环绕速度约为 7.8 千米/秒。
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第一宇宙速度:是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度,也就是我们熟知的人造地球卫星的最小发射速度,它约为7.9km/s,计算公式是V=(gR)^0.5(下同)。
这是目前人类能够直接达到的最大速度,约23倍音速。
第二宇宙速度:是指物体完全摆脱地球引力束缚,飞离地球所需要的最小初始速度,它约为11.2km/s。
这是目前人类能够达到的极限速度,需要经过火箭发射达到7.9km/s后,再用霍尔发动机进行长时间加速后才能达到11.2km/s,约33倍音速。
第三宇宙速度:是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚,飞出太阳系所需的最小初始速度,它约为16.7km/s。
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答:因为人类对宇宙的探索,还远远没有达到考虑第四宇宙速度的的层面,第四宇宙速度大约是120km/s。
人类现在的飞行器,能达到第三宇宙速度(16.7km/s),这是相对于地球参考系,能飞出太阳系的最小发射速度,如果借助木星、土星的引力弹弓效应,发射速度还可以进一步降低。
比如旅行者一号和二号,就借助了引力弹弓效应,达到脱离太阳引力的速度,目前朝着太阳系外飞去。
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因为人类的航天技术还在起步阶段,连太阳系都没有飞出去,旅行者1号探测器目前也只是出了日球层,还没有摆脱太阳的引力。太阳系的半径至少有1光年,凭人类目前的技术,飞出太阳系都需要上万年。
(经过几十年的飞行,旅行者1号才刚出了日球层)
第一、第二、第三宇宙速度仅适用于太阳系,人类现阶段也只能对太阳系内进行探索,经常讨论第一、二、三宇宙速度也就不奇怪了。即使达到了第三宇宙速度,也很难在太阳系内自由驰骋。目前人类的飞行器达到第三宇宙速度还是在依靠行星的引力弹弓效应来实现的。
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简单讲,之所以第四宇宙速度很少被提到,是因为第四宇宙速度对于我们来说没有多大的实际意义,目前人类的一切航天活动都不会涉及到第四宇宙速度,用“食之无味弃之可惜”来形容比较贴切!
第一第二第三宇宙速度我们都很熟悉了,在航天科技上经常用到,第一宇宙速度7.9千米每秒就是成为地球卫星的速度,第二宇宙速度11.2千米每秒就是逃离地球引力环绕太阳运行的速度,第三宇宙速度16.7千米每秒就是逃离太阳引力围绕银河系运行的速度!
第四宇宙速度是逃离银河系的速度,大约120千米每秒,目前的人类科技很难达到这个速度,银河系直径至少20万光年,逃离银河系目前看来没有任何可能性,在遥远的未来,人类或许会习惯用到第四宇宙速度!
事实上除了第四宇宙速度,还有更高级别的宇宙速度,比如第五,第六甚至第七宇宙速度!
第五宇宙速度为逃离本星系群的速度,本星系群包括了银河系,仙女座星系等在内的数十个星系,逃离本星系群的速度大约为1500千米每秒!
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第四宇宙速度
其实关于宇宙速度的概念并不难理解,而且我们比较熟悉的是宇宙第一速度、宇宙第二速度、宇宙第三速度。
至于第四宇宙速度,很少被人提及,它的意思是从地球出发,摆脱银河系的引力,冲出银河系所需要最低速度,不过,这个宇宙速度很鸡肋,因为它的数值还无法确定,甚至可以说这个数值对我们而言并没有多大意义。那具体是咋回事呢?
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第一宇宙速度是飞出地球所需要的速度,数值为7.9km/s,第二宇宙速度是地球的逃逸速度,数值为11.2km/s,第三宇宙速度是太阳系的逃逸速度,数值为16.7km/s,第四宇宙速度是银河系的逃逸速度,目前的数值为120km/s,由于银河系的质量还没有定论,因此目前的第四宇宙速度仅供参考。
人类航天领域发展半个多世纪以来成果之一就是把旅行者一号送到了太阳系边缘,经过引力弹弓加速的旅行者一号已经达到了17km/s,超过了16.7km/s的太阳系逃逸速度,因此只需要几万年就能飞出半径一光年的太阳系。
旅行者一号本质上只是个探测器,人类航天的主要阵地还是在近地轨道,未来可能会到月球和火星,但本质上都是在太阳系内航行,因此第一和第二宇宙速度才是人类经常用到的,第三和第四宇宙速度就像大熊猫一样罕见。
宇宙速度的本质就是逃逸速度,除了第一宇宙速度外剩下的都是为了逃出天体的引力场,然而逃逸速度只是最低标准,17km/s的旅行者一号飞出太阳系需要几万年,就算未来的飞船可以达到120km/s,那么也不可能飞出直径20万光年的银河系。
人类需要更快的宇航速度才能走向太空,逃逸速度只是最小标志,并不意味着人类宇航速度的终点。然而现在传统的化学动力火箭连太阳系都无法自由巡航,在推进方式被革新之前人类最多只能开发到火星。
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学过中学物理的读者,肯定对宇宙第一,第二甚至第三速度不陌生。其实目前看来,人类可以计算出宇宙的第五宇宙速度。第六宇宙速度只能估测,而第七宇宙速度就超光速了,所以并没有物理意义。
第一宇宙速度是人类最常用到的速度。按照牛顿力学,第一宇宙速度就是卫星的最小发射速度,同时也是最大环绕速度。数值大概为7.9km/s。理论上,只要达到这一速度,那么你就可以脱离地面而环绕地球了。
但是要突破地球的引力束缚,起码要达到宇宙第二速度,这个数值大约为11.2km/s。
比如火星探测器的发射速度先达到宇宙第一宇宙后,绕地球环绕。然后在地球轨道上不断加速到11.2km才能冲出地球。所以宇宙第二速度也叫逃逸地球的速度。
逃出地球以后,接下来还受到太阳的引力作用,如果要摆脱太阳的引力束缚就还需要加速到16.7km/s。这就是宇宙第三速度。
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先丢图看下我们要摆脱这些比较熟悉天梯的逃逸速度。第一宇宙速度这里没标,是指卫星这类航天器围绕地球轨道做圆周运动,并保证不掉下来的最小速度7.8公里/秒
第二宇宙速度是摆脱地球引力的逃逸速度,11.2km/s,
第三是指拜托太阳系引力的逃逸速度,42.1km/s,但是地球本身公转的速度就有29.8km/s,所以如果以地球为参照逃逸出太阳系的话,只需要42.1-29.8=12.3公里。在带入第二宇宙速度,得出第三宇宙速度为16.7km/s
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第一、第二、第三宇宙速度都经常提,为什么很少有人说第四宇宙速度?
在17世纪80年代,伟大的物理学家年顿发现了万有引力定律,指出任何有质量的物体之间都存在着万有引力,使之具有相互吸引的趋势,这个引力的数值与两者的质量乘积成正比,与它们之间距离的平方值成反比。万有引力的提出,揭示了宇宙中所有物质的基本运动规律,特别对于宇宙中的大质量天体来说,对其运行特点以及轨道特征的研究具有重要意义,从而奠定了宇宙天体力学的基础。
宇宙中的所有天体,在其形成演化的过程中,其吸聚的众多星际气体和尘埃物质本身具有的角动量,最后全部转化为天体本身以及围绕天体运行天体的角动量,使天体呈现周期性的自转,同时围绕着天体运行的其它物质也以一定的周期围绕其公转。而从围绕天体运行的物体来看,其在围绕大质量天体公转的过程中,所受到天体的万有引力形成的重力加速度,正好与公转时的向心加速度相同,于是该物体就可以围绕着该天体作匀速的圆周运动,距离天体越近,则所需要的向心加速度就越大,物体要保持稳定的公转,其水平方向上的运动速度就要越快。