旅行者1號與地球的相對速度為34.6千米/秒,為什麼與太陽速度只有17千米/秒？

在NASA網站上有一個實時檢視旅行者1號相對於太陽和地球的速度差異，而兩者差異還不是一般大，請看下圖

從這個資料中我們可以清楚的看到，旅行者1號與兩者的相對速度：

1、與太陽的相對速度為：17.0千米/秒

2、與地球的相對速度為：34.6千米/秒

其實我們從這個資料中可以分析出當前旅行者1號和地球的相對位置！因為旅行者1號從地球前往太陽系邊緣的過程中會經歷幾個階段，非常有趣，我們來簡單做個分析！

一、太陽系在地球軌道上的逃逸速度和從地球上逃逸太陽系的速度

逃逸速度理解起來並不難，即徹底擺脫天體引力的最低速度，我們可以透過如下方式計算出地球的逃逸速度是多少？

從地球逃逸需要11.2千米/秒的速度，但按這個公式我們將計算出在地球軌道上太陽系的逃逸速度為42.1千米左右！那麼從地球上直接逃逸難道需要42.1千米/秒的速度，其實完全不會，因為地球公轉本身即已經有29.8千米/秒的速度，因此在在地球上只需再來一個（42.1-29.8）=12.3千米/秒的速度即可！但同時它需要從地球逃離，因此從地球上逃離太陽系需要：

二、探測器與太陽以及地球的相對速度的變化

1、與太陽相對速度遠高於與地球的相對速度

從上文可以瞭解，探測器在地球軌道上開始出發時，它相對太陽的速度為：

29.8+16.7=46.5千米/秒

但它相對地球的速度仍然為第三宇宙速度：

16.7千米/秒

這是因為探測器需要獲得地球公速度的助力，因此在這時，它的速度相對太陽很高，但相對地球卻不高！

2、探測器相對於地球速度遠高於相對於太陽速度

當探測器距離距離地球越來越遠，但地球仍然會在環繞太陽軌道上繞圈圈，因此與探測器相對位置將發生變化，從尾追探測器會變成遠離探測器，那麼此時與地球的相對速度將會發生變化！

當旅行者探測器與地球以及太陽大致構成一個直角三角形時，因為地球公轉產生速度是垂直分量，公轉速度加成並不明顯，此時它和太陽與旅行者之間的速度大致一致當地球公轉越過直角成為銳角時，那麼地球公轉速度將會以比較高的比例疊加在探測器與地球的相對速度上，此時與地球的相對速度就會遠高於和太陽的相對速度！

3、NASA網站上公佈的相對速度時，旅行者和地球之間的相對位置推測

隨意這看起來並沒有毛病，假如等地球在公轉軌道上轉過半圈時，這個速度還不夠地球公轉速度抵消呢，甚至可能變成負速度，因為地球在接近旅行者一號！

但旅行者1號與黃道面已經有了一定的夾角，這個相對速度變化不會那麼大，但仍然有可能，各位感興趣的朋友可以計算一下哦！

旅行者1號與黃道面的角度變化示意圖。

三、旅行者未來的方向是哪裡？

其實旅行者在發射時並沒有明確的目標，即它並不是朝著某顆恆星出發的，但它大致朝著蛇夫座AC+79 3888恆星方向前進，預計會在4萬年後在1.6光年處透過這顆恆星附近，不過比較好玩的是這顆恆星正以119千米/秒的速度靠近太陽系，這個速度遠高於旅行者1號的17千米/秒，有點搞不清楚到底是旅行者去看它還是它來迎接旅行者哈！

旅行者1號當前距離太陽和地球各項引數：

兩位旅行者的引數，前者是旅行者1號，後者是旅行者2號，與太陽的距離一直都在增加，未來不會再回到地球，除非人類發明速度更高的的航天器，將它請回來，比如來一次航天考古！

再見，旅行者！

旅行者一號很早就離開了地球，討論這個問題並不怎麼重要。值得關注的另外一個問題，有科學家撰文說，旅行者一號越是接近太陽系的邊緣，速度有些變慢了，按說遠離了太陽系的引力，速度會變快，這似乎不合常理。又有人說，有一張無形的網罩住了太陽系，人類的飛行器要走出太陽系十分困難，甚至估計人類不可能走出太陽系。但不要過於悲觀，隨著科學技術的進步，人類一定會找到這個問題的根本原因，並想出好的對策來破解這個謎團。

其實這個問題和一個人所共知的一個腦筋急轉彎題類似:那個腦筋急轉彎的問題是，三個人一人十元住店，老闆收了三十元，由於三人住一個房間，老闆退五元給他們，但是服務員覺得三人分五元不好分，於是服務員扣下兩元，每人各退一元，於是問題出來了，三人每人九元共27元，加上服務員扣下的兩元，共29元，怎麼和開始時的一共30元少了一元？

這個問題挺迷惑人的，如果條理清晰這個問題很好解決的:

每人九元共27元等於老闆收的房租25元加上服務員扣下的2元。

或者每人九元共27元，加上退的一人一元計3元，共30元。

今天的這個問題和上面的腦筋急轉彎題本質上一樣的，也就是說只考慮飛行器和地球、太陽的相對速度，卻沒有給出地球和太陽這兩個星球各自的變數，這個問題是新版的“刻舟求劍”。

至於地球和太陽各自的變數，有的回答者已經回答的很詳細的，這裡就從略不多說了。

所以不要被這樣的虎頭問題嚇住，一定要細心、認真思考，你會發現，看起來虎頭樣的問題，最後都是蛇尾式的答案。

“旅行者一號”是美國於1977年9月5日發射的星際探測器，現在已經飛行到太陽風頂層邊緣的星際介質，距地210多億公里。迄今為止已經飛行42年了，但想真正飛出太陽系還需幾萬年，目前仍然受到太陽的引力。

太陽地球和旅行者一號的相對位置一直在發生變化，美國宇航局地面監測部門有一個網站（網址為https://theskylive.com/voyager1-tracker，有興趣的可以複製後到瀏覽器開啟檢視旅行者一號的實時資料）面向全球開放，裡面有旅行者一號的實時動態引數，題目裡說的旅行者一號的相對速度應該是從這幅實時截圖中得到的。

從這張截圖中顯示目前旅行者一號與地球的相對速度為34.6千米/秒，而與太陽的相對速度卻只有17千米/秒，這是為什麼？為啥不一樣？下面我們來解釋一下。

這並不奇怪，這完全是因為地球和旅行者一號相對太陽的運動方向不同造成的。地球一直在繞著太陽轉動，使得地球的運動方向一直在發生變化。因此儘管旅行者一號的速度相對於太陽變化不大，但相對於地球一直是變化的。現在是相對地球速度大一些，但過一段時間後就相對太陽速度大一些了。下圖是2019年8月26日20時38分的旅行者一號實時引數截圖，這張圖與上一張明顯不同。這張圖中顯示，旅行者一號相對太陽速度仍然是17千米/秒，但相對地球速度卻又變成43.9千米/秒了。為了便於瞭解具體情況，我們先從幾個宇宙速度說起。

我們平常所說的宇宙速度是指從地球出發，要脫離天體重力場的三個重要的初始速度。其中環繞地球的最小速度叫第一宇宙速度，大小為7.9千米/秒；第二宇宙速度是脫離地球環繞太陽的最小速度，又叫逃逸速度，大小為11.2千米/秒；第三宇宙速度是脫離太陽系的最小速度，大小為16.7千米/秒。這些速度大小都是相對於地球的。它們相對於地球的運動軌跡分別是正圓（橢圓）、拋物線和雙曲線。

由於第一宇宙速度的軌跡是封閉迴歸的，所以除它之外，那剩下的兩個宇宙速度相對於太陽又是多大呢？如果這些宇宙速度都是向著地球公轉方向發射，它們相對於太陽的速度大小就是在原來的大小上再加上地球公轉速度大小，地球公轉的速度為29.8千米/秒，所以第二宇宙速度相當於太陽的速度就是11.2+29.8=41千米/秒，第三宇宙速度就是16.7+29.8=46.5千米/秒。當然以上的速度都是從地球出發的速度，這些速度隨著距太陽的距離越大而變的越小。它們相對於太陽的運動軌跡分別是橢圓和拋物線。

所謂拋物線軌跡就是開放的、永不迴歸太陽的意思，即脫離太陽。“旅行者一號”現在正在脫離太陽系，它的運動軌跡對於太陽就是以太陽為焦點的拋物線，沿著一個方向永遠離開太陽，不再回歸。它的速度屬於第三宇宙速度，但它現在已經不是在地球軌道上，而是遠離太陽210多億公里，那個地方的太陽引力已經很小了，並且也早已經跑出地球的引力圈，根據動能定理和機械能守恆定律計算可知，只需相對太陽以17千米/秒左右的速度就能脫離太陽，而無需46.5千米/秒（即16.7+29.8），也就是說在那個地方只需達到17千米/秒

相比之下，如果地球公轉速度方向剛好和旅行者一號相反時（當然不可能完全相反，因為現在旅行者一號並不在黃道面上），地球和旅行者一號的相對速度最高几乎可達17-（-29.8）=46.8千米/秒左右，題目所說相對太陽34.6千米/秒的速度還不是最大，說明這時旅行者一號的運動方向和地球公轉方向並不是整180度，而是有一個夾角。

從上面的分析可知，旅行者一號相對地球的速度有時大於相對太陽的速度是很正常的。當然相對地球速度也有小於相對太陽速度的時候。比如說當地球公轉方向和旅行者一號相同時，它們兩者之間的相對速度為17-29.8=-12.8千米/秒，也就是說旅行者一號相對地球的速度方向不但不是遠離地球，反而是向地球而來，這時的速度小於相對於太陽的速度。當然旅行者一號相對地球速度也有等於相對太陽速度的時候，那就是旅行者一號與地球以及太陽大致構成一個直角三角形時。

簡單地說，旅行者1號的速度與地球是相對速度，與太陽是恆定速度。這是因為在太陽這個慣性參照系裡，一切物體的運動都是以太陽為基準的。

在太陽系，所有的天體都是圍繞著太陽執行，因此太陽對於所有天體來說，就是一個靜止的基準點，相對於這個基準點，才能比較出靜止還是運動。

其實太陽本身並不是靜止的，而是帶者太陽系所有徒子徒孫圍繞著銀河系中心公轉，每秒鐘線速度約250公里。但在太陽系這個巨大的慣性參照系中，只有相對於太陽的運動，才能夠顯示出來運動，如果只是跟著太陽一起圍繞著銀河系公轉，相對太陽不運動，看起來就像沒動一樣。

這很像我們坐在一架機裡，飛機就像太陽，我們坐著不動，也在和飛機一起運動，但如不看窗外，感覺不到在運動。

當我們在飛機裡行走，相對於飛機就有了運動，某個人在飛機裡扔一個東西，就有了飛機這個慣性參照系里人與扔出的東西相對運動。

旅行者1號就像飛機裡的那個人扔出的東西，假設這個東西能夠丟擲飛機以外，而且可以一直飛離，而這個人還在飛機裡走動，這個東西離開飛機的速度和離開人的速度就不一樣了。

它離開飛機的速度是固定的、絕對的，而離開人的速度是相對的，變化的，因為這要看這個人是朝著東西飛出的方向走，還是背道而馳。

旅行者1號就是被飛機裡的這個人丟擲的那個東西，而地球就是飛機裡的那個人。旅行者1號正在向著太陽系以外飛去，與它相對的參照物是太陽，所以它相對太陽的速度才是真實的恆定的。

木星發射後，經過木星和土星，利用它們的引力彈弓效應獲得提速，就徑直向太陽系外飛去，獲得的第三宇宙速度，就是把太陽當作一個座標，速度恆定的遠離而去。

而地球在太陽系裡面是一個活動的物體，旅行者1號相對地球速度是不可能恆定的。

地球不停的圍繞著太陽公轉，每秒線速度約30公里，在旅行者1號離開地球的42年時間裡，有時候會迎著（追著）旅行者1號運動，有時候會揹著旅行者1號運動。

當地球迎著旅行者1號運動時，理論上旅行者1號與地球的相對速度為17-30=-13公里，也就是說，旅行者1號相對地球不但沒有離開，反而靠近。因為旅行者1號沒有地球公轉線速度快，就像地球在追它，而且越追越近。

當地球揹著旅行者1號運動時，理論上旅行者1號與地球的相對速度為17+30=47公里，它們在相互遠離，所以分開得很快。

上圖是一張在NASA網站上實時監控旅行者1號飛行狀態的截圖，旅行者1號相對太陽和地球的速度每秒鐘都在跳躍，這張圖截止時間是臺北時間2019年8月27日17點58分。

這個點上，旅行者1號相對太陽的速度為每秒17公里，相對地球的速度為每秒44公里。從這幾年來旅行者1號的檢測速度來看，它遠離太陽的速度是恆定的，遠離地球的速度是相對的。

當然這個恆定也是相對的，因為太陽引力拉扯作用，旅行者1號在不斷地與這個引力的奮爭中，會損失一定的速度。不過現在太陽對旅行者1號的引力影響越來越小，速度損失也越來越小。

地球公轉是一種圓周運動，而且旅行者1號的飛行並非在完美的黃道面上，而是有一個夾角，這樣旅行者1號與地球的相對速度就並不是1+1或者1-1那麼簡單。

它們之間的離開的速度關係應該是在-13公里~47公里之間變化，只有當地球、太陽、旅行者1號三者執行到在接近一條直線上時，旅行者1號離開地球和太陽的速度才會大致相當。

旅行者1號是在1977年發射的，到現在已經經過了42年。旅行者1號現在距離地球已經219億km，約140個天文單位，140個日地距離。

在美國的NASA實時監控旅行者1號的網站上，可以看到的旅行者相對地球上速度是44km／s，但是在相對太陽的速度卻是17km／s，這是什麼原因呢？其實主要原因就是在太陽系內，所有的天體都是圍繞太陽運動的，包括地球也是。

所以太陽就是個參照物，一切物體的運動都是以太陽為基準的。就像我們坐火車的時候，在火車裡面坐著是不會感到運動，但事實上我們是在和火車一起運動，在這裡面，火車就是太陽，我們就是天體。地球在圍繞太陽公轉，每秒線速度大約30km。

地球在太陽系的位置不是固定的，是可以運動的，那旅行者1號自然相對於地球的速度也不可能是恆定的。地球可以揹著旅行者1號運動可以迎著旅行者1號運動，這都是可能發生的，只有當只有當地球、太陽、旅行者1號三者執行成近似一條直線上，速度才會相當。

觀測發現旅行者1號現在一直在降速，是什麼原因導致它一直在降速呢？

旅行者1號是靠利用行星的引力彈弓效應給飛行器進行加速，還有來自於發射時的火箭發動機和地球運動的慣性力，這樣旅行者1號才得以發射。現在旅行者1號一直在降速，就是因為已經失去了引力源，而且旅行者1號的速度還會受到太陽引力的影響。雖然旅行者1號的速度已經超過了太陽系的逃逸速度，但是它還會受到太陽引力的影響，旅行者1號需要克服太陽引力做功，動能就會消耗，所以速度就會變慢。