天文科普:人類去月球要走多久,為啥一定要很快速度,可以慢慢飛過去嗎?
來源:時空通訊
發(fā)布時間:2021-10-08
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本文基于回答網(wǎng)友問題:一個成人從地球走到月球需要多久?

這是一個瞎扯淡的問題,一個成年人光憑兩條腿,永遠也走不出地球,怎么可能走到月球呢?但如果理解為地月距離,憑人類的行走速度,需要多久能走這么長的距離,這就是個簡單小學(xué)數(shù)學(xué)題了。

地月距離平均為38.4萬千米,1個成年人按照不快不慢的速度每小時可走約4千米,每天按照上班時間來計算,走八小時,就是32千米。這樣就要走12110天,每年約365.25天,就要走約33.16年。根據(jù)不同人走得快慢,每天走的時間多少,要走多久就可以根據(jù)實際情況調(diào)整。

但做這樣一道小學(xué)數(shù)學(xué)題有什么意義呢?

人類如果要離開地球,首先就得克服地球引力,克服的方法就是速度,采用的設(shè)備目前主要是火箭,飛天的火箭根據(jù)前往目的地不同,一般要求達到三個宇宙速度其中的一個。何謂三個宇宙速度?這是科學(xué)家們根據(jù)地球引力,計算出來與引力抗衡的速度。

第一宇宙速度為每秒7.9千米,達到了這個速度就能夠與地球引力抗衡,在一定高度圍繞著地球旋轉(zhuǎn),既不被地球引力拉扯下來,也不會脫離地球引力飛走,因此又叫環(huán)繞速度;第二宇宙速度為每秒11.2千米,達到這個速度,就可以脫離地球引力,飛向其他的行星,因此又叫脫離速度;第三宇宙速度為每秒16.7千米,達到這個速度,就可以在地球這個位置脫離太陽引力,飛往太陽系以外,因此又叫逃逸速度。

還有第四宇宙速度,就是脫離銀河系的速度,這里就不扯遠了。

實際上,第二宇宙速度就是地球的逃逸速度,也就是可以逃逸地球引力的速度。根據(jù)地球在太陽系的位置以及與太陽和太陽系其他星球的關(guān)系,我們可以計算出地球的引力影響范圍(希爾球半徑)約為150萬千米,也就是說,在這個范圍內(nèi),你沒有達到第二宇宙速度,最終都要被地球拉拽回來。

月球距離地球38.4萬千米,因此依然在地球的引力圈內(nèi),所以月球才會被地球引力拉扯著圍繞自己公轉(zhuǎn)。因此人類要前往月球,速度就需要達到第一宇宙速度和第二宇宙速度之間,一般要達到每秒10~11千米左右。

而到達月球并非是一條直線就到達了,因為地球在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),月球也在公轉(zhuǎn),而且為了達到更高速度,航天器要圍繞地球做幾圈環(huán)繞動作,以提升到預(yù)定速度,因此發(fā)射航天器到月球,實際行駛的距離遠遠不止38.4萬千米。

如果按照每秒11.2千米的速度,走完38.4萬千米,只需要不到10個小時。但事實上,所有航天器前往月球都要飛幾天。

如上世紀阿波羅11號載人登月飛船,于1969年7月16日9時32分發(fā)射,到7月19日才到達月球附近,7月20日20點17分43秒實施了在月表登陸;我國2020年11月24日發(fā)射的嫦娥五號,也是用了4天,于11月28日才到達月球軌道。

發(fā)射到月球的航天器,速度當然還可以更快,甚至超過第三宇宙速度,但這樣到達月球后剎車的難度就更大,剎車距離就更遠,消耗的剎車燃料就更多,就會得不償失,因此一個合適的速度才是最經(jīng)濟效率最高的。

引力公式為:F=GMm/r^2,這里的F表示引力大小值,G代表引力常數(shù),M和m表示引力作用雙方質(zhì)量,r為引力作用雙方質(zhì)心距離。從引力公式,我們可以看出,引力大小與質(zhì)量成正比,與距離平方成反比。這就說明距離越遠引力衰減得就越快。

因此,所謂三個宇宙速度都是地球表面離開地球需要達到的速度。到了月球這個位置,脫離地球引力所需速度就小多了,根據(jù)第二宇宙速度公式v=√(2GM/R)計算,在月球這么遠的地方脫離地球引力速度“v”,只需要每秒1.44多點千米就行了。

但如果你靠近了月球,又會被月球引力拉扯,這時月球?qū)δ愕囊痛笥诘厍蛄?。月球表面逃逸速度為每?.37千米,環(huán)繞速度要達到每秒約1.7千米。因此到了月球附近,需要有每秒約1.7千米以上的速度才能夠不被月球拉扯下去,每秒2.3千米以上速度才能逃出月球引力。

三個宇宙速度,只是指在地球地表能抗衡地球引力的初始速度。有許多朋友老弄不清這個問題,常問如果一直有燃料保持速度,可以不需要達到三個宇宙速度,就能慢慢脫離地球引力嗎?我的回答是:當然可以。

但問題是,這需要極大的燃料消耗,火箭或飛船就需要帶足夠巨量的燃料;而巨量燃料又會大大加大了火箭起飛重量,這樣又要增加更多的燃料用于起飛這些增加的燃料和設(shè)備重量,這樣就會形成一個惡性循環(huán),根本無法起飛。

因此科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)計算出來的環(huán)繞速度、脫離速度、逃逸速度,是迄今為止航天發(fā)射需要達到的初始速度,是抗衡地球引力最科學(xué)最節(jié)省燃料的發(fā)射方式?;鸺l(fā)射達到了初始速度后,已經(jīng)飛出大氣層,已經(jīng)沒有了空氣阻力,就只需要極少的燃料進行加速、減速和變軌了,主要依靠慣性或者天體引力彈弓效應(yīng)提升速度,飛往遙遠的目標。

人類認識了引力的奇妙作用后,利用這個已經(jīng)認識的自然規(guī)律,才能夠走出地球,飛向深空。人如果不借助飛行器,再怎么蹦跶,也蹦不了幾米高,如何走到月球?因此本文只是利用這個無厘頭的問題,簡單普及一下引力與速度之間科學(xué)常識,供各位參考。




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