概括:
三大宇宙速度是天文学和卫星发射的基础。目前的推导和解释都是基于经典的引力理论。事实上,目前对它们的计算和理解并不完全正确,甚至有的完全错误。
现代天文学对这三种宇宙速度的解释如下:
第一宇宙速度为7.9km/s,称为绕地球表面运行的速度;第二宇宙速度为11.2公里/秒,称为逃离地球的速度;第三宇宙速度为16.7公里/秒,称为逃离太阳系的速度。速度。
而它的真正含义是:
第一宇宙速度的实际含义是:地物由自转转为公转和共核惯性运动后,核心距离最小时的公转速度,且转变前后的共核惯性守恒。
第二宇宙速度的实际含义是:当地面物体具有第二宇宙速度时,它将相对地心以自由落体运动远离地球。相当于第一宇宙速度,具有同样的核惯性守恒。这和第二宇宙速度不一样。不是逃离地球的速度。
第三宇宙速度的实际含义是:地面上随地球旋转的物体转变为绕太阳运行的行星的初始速度。这不是它逃离太阳系的速度。
介绍:
利用万有引力定律计算三大宇宙速度相对复杂,甚至涉及极限和积分。然而,利用共同核惯性守恒定律可以非常简单地计算出三大宇宙速度。特别指出的是,三大宇宙速度的数值并不是固定值。 ,但随着空间位置的变化而变化,这与芯距、旋转、旋转轴距有关。
利用同核惯性守恒定律,可以精确计算并完美解释三大宇宙速度,这对于卫星发射、变轨、重力捕获和弹弓效应等航天应用尤为重要。
离地第一宇宙速度的值随地面高度变化很大。任意点第一宇宙速度的计算公式为:
(引文1)
仅与共核系统的共核常数和核心距离有关。
地面物体的第一宇宙速度在7.8到7.9之间,随地面位置的不同而变化。它与距地心的距离、自转速度和自转轴距离有关。计算公式为:
(引述2)
地面物体的第二宇宙速度在11到11.2公里/秒之间变化。地面上不同位置的速度也不同。它还与地面定位点的核心距离、旋转速度和旋转轴距离有关。
第一宇宙速度和第二宇宙速度的关系为:第一宇宙速度的运动方向是绕地心公转,第二宇宙速度的运动方向是相对于地心上升的弹射运动。地心,与自由落体方向相反。共同核心运动。
如果第二宇宙速度进入轨道并绕地球运行,则相当于第一宇宙速度。它们的等价换算公式为:
(引用3)
第三宇宙速度是地面物体成为太阳系行星的公转速度。 16.7公里/秒代表在地球近日点地面物体成为太阳系行星的最小速度。它的轨道距离位于火星和木星之间的日心约4.8亿公里。它们之间的行星轨道计算公式为:
(引文4)(V为地球绕太阳任意轨迹点的公转速度)
1 第一宇宙速度的推导与计算
1.1 共同核心惯性守恒定律的核心内容
共同核惯性守恒定律的表达式为:
宇宙中所有大质量物体在不受外界影响的情况下,都会相对于核心(以中心点或轴为参考系)作永恒的惯性运动,且其运动路径上任意时刻轨迹点的核心惯性始终为保守的。
外力只能改变共同核心惯性的状态或运动形式。外力消失后,仍会保持其共同核心惯量守恒。
在同一个共同核心系统中,公转、自由落体和自转是不受任何外界影响的三种共同核心惯性运动形式。任何轨迹点的公共核心惯量始终守恒。有一个共同的核心惯性守恒方程:
(1.1.1)
主要天体运动参数量纲表(1-1-1)
(1-1-1)
右手公式第一项表示公转运动的共心惯量第二宇宙速度的推导,右手公式第二项表示自由落体运动的共心惯量,右手公式第三项表示自由落体运动的共心惯量公式表示旋转运动的共核惯量。在同一共核系统中,质量相等无论物体处于何种形式的共核惯性运动,其在任意轨迹点的共核惯性总是守恒的。
如果从上式中去掉质量m,我们得到:
(1.1.2)
这就是共核常数恒等式,也就是说在同一个共核系统中,在公转、自由落体和自转三种不同形式的共核惯性运动中,路径上任意轨迹点的共核常数恒等式为等于 任何独立的共核系统都存在一定的共核常数值,该值与其运动形式、质量和轨迹点位置无关。下表列出了多个共核系统的共核常数值(1-1-2):
(1-1-2)
1.2 第一宇宙速度计算公式的推导
第一宇宙速度的实际含义是:随地面自转的质量物体转化为近地卫星的公转速度。这只是质量物体的共同核心惯性运动形式的变化。变化前后共同的核惯量仍然守恒,因此有共同的核常数恒等式:
(1.2.1)
发生变形且不随地球旋转的空间质量物体的第一宇宙速度为:
(1.2.2)
第一宇宙速度7.9km/s的具体含义是:在不考虑大气阻力和光滑表面的情况下,核心距离等于地球半径(R=r)时近地卫星的公转速度,所有非近地卫星(当R大于r时),公转速度均小于该值。 7.9公里/秒是绕地球公转的最大速度,也是太空某一点的最大第一宇宙速度。
地面物体的第一宇宙速度将小于7.9公里/秒,因为地球上的物体具有转动惯量。在公转方向与自转方向一致的前提下,计算公式为:
(1.2.3)
经典物理学仅对空间物体导出近地第一宇宙速度,而对地面物体则将其视为第一宇宙速度。事实上,地面上的第一宇宙速度和太空中的第一宇宙速度相差很大。
将地面上的人造地球卫星变成近地卫星,地球上不同发射点达到第一宇宙速度的起始速度和能耗并不相等。
以第一宇宙速度运行的近地卫星的起始速度与地球自转方向、地位自转速度、自转轴距离和核心距离有关。对于这个列表,计算地球上各个位置第一宇宙速度的起始速度表(公转方向与自转方向相同)(1-2-1):
(1-2-1)
表中的第一宇宙速度一栏值中,地物的第一宇宙速度与自转速度和自转轴距离有关;而空间中任意位置点的第一宇宙速度实际上就是该位置点的公转速度,比如同步卫星的高度第一宇宙速度为3.07km/s,第一宇宙速度的平方的乘积在任意点处,芯距始终等于公共芯常数。
2 第二宇宙速度的推导与计算
第二宇宙速度的实际含义是:在地面上进行自转或自由落体运动的物体贝语网校,获得第二宇宙速度后,将相对地心远离地球,即与地心运动相反的运动。自由落体运动。其任意轨迹点速度的平方与核心距离的乘积的一半总是等于公共核心常数,因此有公共核心常数恒等式:
(2.1)
右手公式第一项称为动能同核惯量,意思是投掷运动中核与核之间的距离越大,第二宇宙速度越小。看表(1-2-1),11.2km/s是地物的第二速度。宇宙速度,而太空中的第二宇宙速度随核心距离变化很大,到月球轨道位置只有1.44km/s。
或者你可以这样理解第二宇宙速度:当一个苹果以11.2公里/秒的速度从树上掉下来时,它永远不会再落到地面上,而是会无限地远离地球向相对于地球的高空运动。地球的中心。速度会继续降低,直到达到同步卫星轨道附近的速度仅为3.07km/s,并无限远离地心,直到被途中的其他天体捕获或弹射出去。
变形(2.1)可以得到第二宇宙速度的多个计算公式:
(2.2)
右边公式的第一项和第二项是空间位置不随地球旋转的物体的第二宇宙速度的计算公式,而第三项是计算空间位置随地球旋转的物体的第二宇宙速度的公式与地球。第三项代表第一宇宙的速度与第二宇宙的速度之间的等价关系成立。
第一宇宙速度和第二宇宙速度的区别在于共核运动的方向和形式不同。前者是绕核心旋转,后者是与自由落体运动相反的投掷运动。它们的共核惯性是守恒的。是保持共同核心惯量守恒的两个等效速度。
第二宇宙的速度并没有逃逸地月核心系统。如果假设宇宙中只有一个地月核心系统,那么物体距离地球中心只有无限远,第二个宇宙的速度变得无限小,任何轨迹的第三个点是两个宇宙速度平方乘积的一半,距核心的距离始终等于地月系统的同核惯量。它仍然围绕太阳旋转,因此仍然属于地月共核系统。
然而,由于宇宙中与地球相邻的共核系统数不胜数,如果它们距离地心远到一定距离,就会被附近其他共核系统的引力捕获或者弹射出去。弹弓效应,这将在后面讨论。
3 第三宇宙速度的推导与计算
第三宇宙速度的确切含义是:地面物体脱离地月核心系统进入太阳系成为绕太阳运行的行星的最小速度。
首先我们需要明确关于同核系统组成的常识:月球绕地轴公转形成独立的月球同核系统,而月球绕地心公转形成地月同核系统系统中,月球、地球和行星同时围绕日心旋转,形成一个共同的核心。在太阳系中,不同的共核系统具有不同的共核常数。
地球不仅具有地月系的共核惯性,还具有太阳系绕太阳运行的共核惯性。因此,地球上的物体想要进入太阳系,首先必须逃离地月共核系统,然后需要具备地面第二宇宙速度。同时,它绕太阳公转的速度必须满足共核太阳系常数。
第三宇宙速度的计算公式为:
(3.1) (V为地球在绕太阳任意轨道点的公转速度)
这个公式是怎么推导出来的呢?
步骤1:地球在绕太阳任意轨迹点的公转速度为V,则共核太阳系中物体在该位置的第二宇宙速度为其根的两倍。那么,共核太阳系中地物的第二宇宙速度为:等于太阳系在地球轨道点的第二宇宙速度加上地球地物在地球上的第二宇宙速度- 月球系统。
以地球近日点公转速度30.03km/s为例,以共核太阳系为参考,共核太阳系中地面物体相对日心需要自由运动的速度为:
(3.2)
这个速度是地球位于近日点时地球上物体远离日心的实际速度。严格来说,这是地面物体逃离太阳系所需的第二宇宙速度。
但事实是:在共核太阳系中,当地面物体被抛离太阳时,它们的第二宇宙速度不需要加速到这个速度,因为地球上的物体在近日点有绕太阳公转的速度为30.03km/s,所以必须用这个速度减去实际加速度,即:
(3.3)
这个速度是指在共核太阳的近地点第二宇宙速度的推导,地面物体需要相对于日心加速逃离太阳系的速度。
共核太阳中地面物体的加速度相当于其绕太阳公转的速度。如果将此速度换算成绕太阳公转,则必须将公转速度除以2的平方根,即;
(3.4)
这就是第三宇宙速度。可见,第三宇宙速度本质上是地面物体脱离地球后绕太阳运行的最小速度,即太阳系中行星从地面发射的最小速度。
如果以第三宇宙速度进入太阳系轨道,此时距日心的距离,即核心距离为:
(3.5)
这是火星和木星之间的轨道,这意味着第三宇宙速度的真正意义并不是逃离太阳系,而是逃离地月系进入太阳系的行星的公转速度系统。
当一颗从地面出发的人造行星到达这个轨道位置时,它必须有16.7公里/秒的入轨速度才能进入共核太阳系并绕太阳运行;
同样,如果它在地面上以23.63km/s的速度逃离地球,则在地球近日点的速度降低到12.43km/s而被抛离日心,或者以速度为11.2公里/秒,地球将在近日点加速到12.43公里/秒时才能远离日心。
那么,当物体以12.43km/s的速度被抛离地球近日点的日心时,任意轨迹点速度的平方与日心距离的乘积的一半将始终等于核心太阳系常数,这意味着该物体不会离开太阳系,但可能会在途中通过弹弓效应被弹射或被木星或其他天体捕获。这可以用来分析和预测航行者一号的轨迹,这将在后面介绍。