-
1 # 博學雪山7M5
-
2 # 物原愛牛毛1
物體擺脫地球引力就是逃離地球,只需達到第二宇宙速度V=11.2千米/秒即可,用不著達到光速。至於需要多少牛頓力F,這要看物體的質量m和加速度a是多少,即F=ma,這裡m為1千克,而加速度a則不定,因此需要多少力F也不定。這裡最關鍵的是速度V,F一點也不重要,因此與其說需要多少力,不如說需要做多少功(能量)W=mgh+mV²/2更合理,從式中可以看出,V、h(這裡是0)和g(重力加速度9.8)一定,只看物體質量。現在我們可以具體算一下:W=mV²/2=1x11200x11200÷2=62720000焦耳,也就是運載工具(比如說火箭)每使1千克物體脫離地球引力控制,就需要消耗62720000焦耳。
至於想以光速擺脫地球引力是做不到的,因為根據愛因斯坦的狹義相對論,任何靜質量不為0的物體是不可能達到光速的,具體有個質量效應公式其中m為物體的質量,m0為物體的靜質量,V為物體的速度,C為光速,當V→C時,分母根式→0,則m→+∞,也就是說物體質量會隨著速度增大而增大,越接近光速,質量趨向於無窮大,這樣需要無窮大的能量才能推動物體運動,如果宇宙是有限的,那全宇宙的能量都不夠,因而是不可能的。從式中也看出,無論物體靜質量多大,其結果是一樣的,也就是說,別說無法把1千克物體加到光速,就是把1克物質也加不到,無論你使多大力、多少能量都不行。
-
3 # 力學Nerd王小胖
題中有2個錯誤:1)物體永遠也達不到光速,2)擺脫地球引力不能光看力。擺脫地球引力,如果不考慮能量和時間成本,那麼只要推力大於重力就可以,並不需要非常大的推力,1kg的物體推力也就是9.8N而已。下面我就從力學的角度,稍微詳細解答一下這個問題。
1、光速——遙不可及愛因斯坦相對論認為,光速是所有物體運動速度的極限,同時光速具有不變性。相對論認為,物體運動起來後,其質量會發生變化,如下圖。隨著速度的增加,物體質量先是緩慢增加,然後呈指數式爆發增加。當達到光速時,物體質量已經是無窮大了。這就從理論上限制了光速不可超越。任何宏觀物體都不可能達到光速。
光速物體質量達到無窮大後,此時的動能也將是無窮大(0.5mv2),這就意味著光速物體維持這個無窮大的動能,需要無窮大的能量輸入,而這個無窮大的能量無法提供。
2、引力——無處不在引力公式相信大家都知道,表示式如下。式中,G是引力常量,m1m2是兩個物體的質量,r是兩者的距離。根據這個表示式,引力與距離平方成反比。只有當距離無窮大的時候,引力才為零。所以,引力無處不在。
儘管引力永遠無法徹底擺脫,但是距離增大後,引力的影響就小了。當引力與其他力相比小了1-2個數量級時,就可以忽略引力了。就像我們人體受到的引力只考慮地球的,從來不考慮月球和太陽的引力。
跟牛頓力學不一樣,愛因斯坦的相對論認為,引力是物體質量引起的時空的扭曲,如上圖。物體質量越大,時空被扭曲的就越厲害。同時,距離越近,扭曲的也越厲害。距離較遠處,雖然還是有一定的扭曲,但是此時物理上可以忽略了(數學上可以不忽略)。
3、宇宙速度——無動力擺脫引力的關鍵相信大家都熟知火箭發射的宇宙速度,如下圖。三大宇宙速度指的是物體從地球發射後,無動力飛行後最小速度。以第一宇宙速度為例,將物體速度加速到7.9km/s後,失去動力後,物體仍然能夠正常執行,這個7.9km/s就是最小速度。
當物體速度達到第一宇宙速度後,不需要額外的動力,物體也不會掉落下來。此時,我們可以認為這個物體擺脫了地球引力的束縛。但是,實際上,引力依舊存在,依舊影響著這個物體。值得說明的是,這三個宇宙速度,都是相對與地面的相對速度,而不是其他座標系下的速度。
4、擺脫地球引力需要的力想要擺脫地球引力,實際上不需要將速度達到第一宇宙速度。第一宇宙速度,實際上是最省能量的一種發射方式。如果不考慮能量供給,那麼只要推力始終大於引力和阻力,物體就可以一直背離地球。如下圖所示。
如果不考慮時間,速度可以慢一些,那麼臨界狀態下,推力的最小值就是引力G+阻力Fc。這種發射方式,需要非常長的時間,但是能量消耗也是較少的。
5、總結透過上述分析,我們知道物體的質量在低速運動下的變化可以忽略,但是高速運動下其質量呈爆發式增長,光速時達到無窮大,這就需要無窮大的能量輸入才可以保持光速,因此光速的物體是不存在的。
另外,物體擺脫地球引力,正常情況是物體速度達到第一宇宙速度即可。此時雖然物體仍然受地球引力影響,但是已經可以無動力飛行了,可以認為擺脫地球引力了。在發射過程中,如果不考慮時間和能量成本,那麼推力並不需要非常大。最小推力就是物體的引力。所以1kg的物體最小推力就是9.8N。並且隨著距離的增大,推力還可以一直變小。
-
4 # 宇宙探索
首先,任何具有靜質量的物體都不可能達到光速飛行,1KG的物體當然也不可能光速飛行。
其次,想要擺脫地球引力,並不僅僅要看需要多大的力量,還有速度也很重要。
比如我們經常所說的第二宇宙速度,11.2千米每秒。只要達到這個速度,就不需要任何外力作用在物體上,就可以擺脫地球引力,離開地球。
當然,如果速度不夠快,也是可以擺脫地球引力的。只要持續給物體施加一個大於物體所受引力的力量,就可以讓物體擺脫地球引力
注意,這裡“持續”兩字很終重要,也就是說,必須一直給物體施加外力才可以,一旦外力消失,物體仍舊會被地球的引力捕獲!
理論上分析,只要有持續的外力作用,不管物體的速度有多慢,哪怕是0.1毫米每秒,也可以擺脫地球引力。
所以,想要擺脫地球引力,外力作用和速度都是需要考慮的因素。
不過在發射火箭,太空探測器時,人類只會選擇第一種方式:達到第二宇宙速度讓火箭,探測器擺脫地球引力。因為第二種方式需要極大的能量,是不現實。
這也是為什麼騎腳踏車上坡時,我們都會提前加速,只要速度足夠快,上坡過程不用再蹬腳踏車,也能爬上坡!
-
5 # 語境思維
回答本題,筆者希望科學愛好者養成物理思維的協同、自洽、嚴密與周延的習慣。
根據題意,設這個物體質量為m=1kg,地球質量為M=6.0×10²⁴kg,根據萬有引力定律方程,物體與地球之間的互反吸引力皆為:
F=GMm/R²...(1)
理論上,只有物體離地距離R→∞,才稱得上該物體擺脫地球引力。換言之,即使該物體被加速到光速,也依然不能擺脫地球引力。
▲擺脫純自然的物質束縛,或許不難。擺脫超自然的精神束縛,恐怕很難。銘記:
ALTER YOUR IDEA,ALTER THE WORLD
想一想:「擺脫」怎麼下定義?題目所指的擺脫,不能泛泛而談,也不能侷限於第一宇宙速度(v₁=√GM/R)。例如:
PM2.5的氣溶膠粒子自發在1千米高空作測地線迴圈運動(不需要自帶燃料),算不算擺脫了地球引力?
等離子體在離地60千米處的電離層高空作測地線迴圈運動(不需要自帶燃料),算不算擺脫了地球引力?
人造的同步衛星在離地3.6萬千米高處繞地作準定軌的迴圈運動(需要補充能量),算不算擺脫了地球引力?
月球作為地球衛星離地38萬千米繞地作準定軌的迴圈運動(不需要自帶燃料),算不算擺脫了地球引力?
普朗克衛星在離地150萬千米繞地球作準定軌的迴圈運動(需要補充能量),算不算擺脫了地球引力?
顯然,我們有必要對「擺脫」這個用語做嚴格的界定或定義。談到下定義,很多人發怵,難在全方位獨立思考,超越了課本知識。
幾個典型語境下的擺脫擺脫,至少要脫離地球本體,處在離地的一定的高度。在這個前提下,再分三種情況:
第一種擺脫:不需要攜帶外加能源做功,就能自動維持在特定軌道的運動狀態,但依然受到地球引力場的強勢束縛。
例如:漂浮在大氣層中的空氣分子、包括氣溶膠、氮氣、氧氣、二氧化碳、水蒸氣分子、惰性氣體、等離子體,還有離地足夠遠的衛星。
離地足夠遠的主要意思是:在地球與太陽之間最近的拉格朗日平衡點,約150萬千米,這裡繞地迴圈的普朗克衛星。
第二種擺脫:需要自帶外加能源作功,以克服地球引力場強勢束縛導致的墜落,包括克服自由落體類墜落與克服螺旋線漸近性墜落。
在近地大氣層的航空飛行器,如飛機與導彈或火箭,屬於克服自由落體類。
在遠地大氣層的航天飛行器,包括太空梭與飛船、人造衛星、空間站,它們都要自帶燃料或太陽能電池或核電池。
在大氣層上界的地球輻射帶,主要是離地數萬千米的同步衛星,也要自帶能源裝置。
第三種擺脫:處在離地150萬千米的拉格朗日平衡點(L1)以外的人造衛星與太空探測器。
由於在第一拉格朗日平衡點以外,飛行器所受的太陽引力大於地球引力,地球引力場不再處於強勢地位,而讓位於太陽引力場。
飛行器不可能向地球作漸進性墜落,可謂真正擺脫了地球引力場的束縛,因為地球引力場已經處於劣勢地位。
這種情況屬於三體問題。就拉格朗日平衡點原理而言,我們可以說,地球引力場的有效束縛半徑的閾值是150萬千米。
地球上的實體,可以加速到多大速度?有人說,只要是有質量的物態,就不可能加速到光速,即:v=c=299792458m/s。
理由是,根據洛倫茲變換因子的質增效應公式,即:m=m₀/√(1-v²/c²),如果速度v=c,質量就會無窮大,而無物理意義。
他們還說,在大型粒子對撞機(LHC)中,允許帶電粒子加速到足夠接近光速,即:v→c
例如,電子可加速到v=0.999....9c,按這個邏輯,1個質量只有9.1×10⁻³¹kg的電子,可以加速到質量遠遠大於1個地球或太陽的質量。
還說,中微子質量是電子質量的1百萬分之1,即:m៴≈9.1×10⁻³⁷kg,可是中微子的速度幾乎就是光速,又不講質增效應了。
這裡提出一個弱弱的思考:光速c是不是絕對精確常量?有沒有[±???]樣式的測量誤差?
若沒有,顯然是神邏輯。若有,那麼電子可加速到[0.999..9c]樣式中多少個9為合法?
其實,0.99999...9c與100%c沒有本質區別。洛倫茲變換隻是假設的模型,需要科學評估。
提示:狹義相對論有悖能量守恆律,孰是孰非?我們還要不要恪守能量守恆原理?
地球上可達到準光速的實粒子,只能在LHC中得以實現,只能是帶電粒子例如,電子、質子與α粒子(氦核⁴₃H)。顯然,
題目中指定的1kg物質,是不可能放進對撞機中做加速實驗,因此題目本身的假設,至少就目前的技術裝置,是不可能的。
下面我們以電子、質子與氦核子,到達拉格朗日平衡點而擺脫地球束縛的「發射力」。
1個電子,在準光速下的發射力假設一個核外電子,從電子槍發射出來,電源提供電壓為U,從初速度v₀=αc0.0073被加速到末速度v=0.999999c≈c,根據光電效應:
eUₑ=△Ek=½m₀(v²-v₀²).....(1)
≈½m₀c²=4.1×10⁻¹⁴[J](即電子發射功)
Uₑ=△Ek/e......(2)
≈4.1×10⁻¹⁴÷(1.6×10⁻¹⁹)
=2.56×10⁵[V],
即電源電壓需要25.6萬伏特
假設,電子以準光速在繞核時以半徑r=0.1奈米軌道運動,其獲得的軌道向心力
Fₑ=m₀v²/r......(3)
=9.1×10⁻³¹×3×10⁸÷(1×10⁻¹¹)
=2.73×10⁻¹¹[N](即電子發射力)
其中,用來克服庫侖力的份額是
Fᴄ=(1/4πε₀)e²/r......(4)
=9×10⁹×2.56×10⁻³⁸÷(1×10⁻¹⁰)
=2.3×10⁻¹⁸[N]
計算表明,庫侖束縛力在發射力的佔比為10⁻⁷,微乎其微,是可以忽略不計的。
這個電子從原子邊際或沿著迴旋加速器軌道切向飛出去,就成了自由的光電子。
這個光電子與原子核衰變所釋放的β射線粒子本質上是一致的,其初速度都是準光速。
它會穿越地球大氣層與輻射帶,並輕鬆穿越拉格朗日平衡點嗎?它會不斷減速嗎?答案是肯定的。理由是:
雖然有大量氣態的分子與等離子體,但是它們之間隔得很遠,庫侖力的遲滯不大,地球引力場的遲滯就更加微乎其微了。
1個質子與氦核達到準光速的發射力這個計算,顯然很簡單。質子按電子當量數或量子數nₚ=1836加倍即可。α粒子的電子當量數為n(α)≈4nₚ加倍即可。例如:
質子的發射力為:
Fₚ=nₚ·Fₑ......(5)
=1836×2.73×10⁻¹¹=5.0×10⁻⁸[N]
質子的發射電壓為:
Uₚ=nₚ·Uₑ......(6)
=1836×25.6萬伏特=4.7億伏特。
為什麼m=1kg實體不能加速到光速?理論上,此實體是m=1kg飛行器,其質量包括自帶足夠能源,不斷提供恆定的加速度。
F=ma=mv²/R......(7)
v=√(FR/m)=Ft/m......(8),
當時間t累積到臨界時長t*:t→t*,就可以實現準光速:v→c,甚至超光速v*≥c。
但是,實際上不可能。有三個重要原因。
原因1:公式(8)在邏輯上無法實現
如果該飛行器的質量m包含燃料,燃料會不斷消耗,即臨界質量m*<<m,即不再是題設的1kg條件。
▲俄羅斯研發的核電池太嚇人了,能量密度超普通電池9倍。
原因2:公式(8)在技術上無法實現
如果該飛行器另行搭載一個火箭,就算該飛行器可能實現了確保1kg的光速飛行。
問題是,火箭本身需要克服龐大自重M₀帶來的地球引力,雖然燃料質量會不斷減少△M。
但是要求飛行速度越大,火箭自重與燃料重量也會越大,這就陷入一個二難怪圈。
▲通常的推進器只能設計為三級火箭。
現有的航天技術與實踐表明:最多設計不超過四級火箭,即:火箭的送達速度很難或者幾乎不可能達到第三宇宙速度。
換句話說,當火箭最終釋放題設飛行器的初速度最大為:v≤17.6千米/秒<<光速。
原因3:任何動機效應不可突破真空引力場
這才是鮮為人知的終結性要害。早在2000多年前,亞里士多德就一直在追究宇宙存在與運動的第一推動力(First Cause)。亞子追問的是:物質運動的最終根源是什麼?
▲亞里士多德:希臘哲學集大成者,是公元前2000多年西方哲學思考集大成者。
熱力學第二定律說,這是因為物質在空間分佈的不均勻,即熵增加原則:
△S≥0......(9)
即:對於一個相對封閉的體系,高密度介質總要向低密度介質發散,以求最終的最大分散度與均質化。
通俗講,就是高濃度總要擴散,高水位總要向低處流,不能倒過來,這是毋容置疑的。
問題是,導致熵增加效應的根本原因是什麼?換言之,為什麼濃度擴散的動力源是什麼?
筆者經過數十年的不斷反思,對大量實驗現象的分析歸納、驗算驗證,得出如下命題:
推動任何物態或動機(motor)的根本原因,是他們的內真空場密度高於真空場密度,真空場的能密梯度,或稱【真空場引力】才是萬物運動的總根源。
對於實體而言,電子的切向運動速度,可達到宇宙之最,幾乎就是光速。
根本原因,電子本身是空的,是一個真空場單元。電子內空間的場密度最大,與電子外空間的場密度的梯度最大,而並不取決於外加電源電壓。
若我們相信電子半徑r=10⁻¹⁹米,那麼電子內空間的場密度為:
ρ=m₀/(4π/3)r³......(10)
=9.1×10⁻³¹÷(4.2×10⁻⁵⁷)
=2.17×10²⁶[kg/m³]
隨著粒子質量的不斷增大,粒子內空間的場密度就會不斷減小,其外空間的密度梯度也會不斷減少,可能獲得原動力隨之減少。
飛機的升力,不可能因為發動機功率加大,而無限制的放大,最終取決於飛機附近的真空場密度梯度,取決於機身迎角的大小。有效迎角越大,可能的升力越大。
而根據麥克斯韋的光速方程
c=1/√(ε₀μ₀)......(11)
真空光速,其實就是真空場介質的波動速度,也是真空引力場的推湧速度或輻射速度。
既然電子獲得運動速度,源於內外場的密度梯度,而電子只能存在與附近的真空場中,就不可能超越場作為第一推動力的基底速度。
(完)
-
6 # 熵增的天敵
擺脫地球引力所需要做的功和光速無關!根據動能公式:Ek=mv^2/2,可以很容易算出來Ek的值,Ek的數值就是擺脫地球引力所需要的功,其中速度v是第二宇宙速度11.2公里/秒,m是你給定的1kg,自己動手去算一下
-
7 # 創新數
這個問題是錯誤的。
因為只有沒有質量的光子才能達到光速。
凡是有質量的物質,都是不能達到光速的。
回覆列表
180萬,首先該隱一開始是蝙蝠會掛上面,要用香去點它下來才能打。一般需要4根香才能點下來(PS:可以一根根地點,可累計),上好香之後,點該隱大蝙蝠,會出現金鐘罩,點他一共20下就會下來。 經過測試綜合實力達到180萬就能打死,180萬的戰力需求是相當之高的,很多平民玩家也就幾十萬的戰力,建議留到後期再強攻。