卫星为什么会绕着地球转,卫星为什么能一直绕地球转动

首页 > 科学 > 作者:YD1662023-04-22 09:24:27

但我们知道地球并非处在空无一物的宇宙空间,地球是太阳系的一部分,周围有着太阳以及除地球以外的7大行星,还有一些矮行星和小天体。

这些天体对地球来说,都会施加引力的作用,但太阳本身的质量就占到了整个太阳系物质的99.8%,因此地球的运动主要受到了中心太阳的引力影响。

所以说地球在宇宙空间中的运动状态并非是静止或者是匀速直线运动。它受到了朝向太阳中心的引力作用。

按理来说,地球应该会被太阳引力拉向太阳,并落到太阳表面,像是一个物体受到地球引力落到地球表面一样,但真实的情况是:

卫星为什么会绕着地球转,卫星为什么能一直绕地球转动(5)

地球在引力的作用下,绕着太阳沿椭圆轨道运动。为什么会这样?

因为地球在受到太阳引力作用的同时,它还有一个垂直于引力方向的切向速度。这个速度保证了地球在向太阳中心坠落的时候,一直错过太阳,不会于太阳相撞。

所以我们可以认为地球其实是在宇宙空间中下落,但下落的方向并非我们认为的南极方向或者是北极方向,而是太阳中心的方向。

为了理解这个问题,我举一个简单的例子,这个例子也是牛顿当年做过的一个思想实验,这个思想实验叫牛顿大炮,是人类目前发射绕地卫星的理论基础。

卫星为什么会绕着地球转,卫星为什么能一直绕地球转动(6)

我们垂直朝上发射一颗炮弹,也就是上图中绿色的小球,那么这个小球会受到一个朝向地球中心的引力,这个引力会导致小球的速度一直衰减,直到为零,然后又开始在引力的作用下加速坠向地球。

因此垂直发射炮弹或者是火箭,是无法逃离地球引力的(至少以人类目前的能力是无法办到的),也无法让炮弹在轨道上绕着地球旋转。

所以想要让炮弹绕地球转或者离开地球就需要给炮弹提供一个水平上的初速度,超前发射炮弹。像下图中的样子。

卫星为什么会绕着地球转,卫星为什么能一直绕地球转动(7)

假设在一个高山上架炮,超前发射炮弹,炮弹在向前飞的时候,会在引力的作用下往地面上落,如果炮弹初速度不够的话,那么炮弹就会飞行一段距离砸向地面。如上图中的a和b。

如果在给炮弹增加更大的初速度的话,当速度达到了第一宇宙速度7.9 km/s,那么炮弹的轨迹就会变成C;

这是因为地球是个球,它有一定的曲率,炮弹只要拥有了足够的初速度,那么它在落向地球的时候,这个速度就会使得炮弹不断的错过地球表面,最终绕着地球旋转。

如果速度再大一点,炮弹的轨迹就会变成D,如果速度再大,达到了第二宇宙速度11.2km/s,那么它的轨迹就会变成E,直接逃离地球的引力控制。

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