逃逸速度是一個物體永久地逃離一個天體引力場並且永不回落所需要的最小速度。
與福斯觀點相反的是,月球有一個大氣層,這個大氣層在學術上被稱作外逸層。這個大氣層非常地稀薄,所以大氣層內的微粒很少發生碰撞。它如此稀薄的原因是:與地球不同,月球的萬有引力非常微弱,以至於它不能緊緊地抓住圍繞在它上方或者是從內部散發出的氣體。
圖解:月球的隕石坑-月球有一個外逸層。
天體對物體的引力是天體品質的函式。很明顯,物體更難逃脫品質大的天體。地球的逃逸速度自然比月球的逃逸速度大,但是卻比木星的逃逸速度小。木星由於其巨大的體積和品質,在太陽系的所有行星中,擁有最大的逃逸速度。
逃逸速度
逃逸速度的大小與天體的品質相關,這個結論會讓我們面臨一個矛盾的問題。當我們向一個比地球品質更大的行星發射探測器的時候,探測器必須要攜帶大量的燃料。因為探測器在探測的行星上起飛並且逃離行星引力場所需要的燃燒的燃料的量一定比在地球上多。然而,在探測過程中,它所攜帶的額外的燃料會讓它變得更重,因此也就更難加速到地球的逃逸速度從而逃離地球的引力場。
圖解:發射火箭的軌道-為了逃離地球的引力場而不會回落,火箭的發射速度一定要達到11.2km/s.
逃逸速度方程式
一個物體要想逃離一個品質為M的天體,那麼這個物體的動能應該等於它的引力勢能。一個運動速度為v,品質為m的物體的動能是1/2mv^2。根據定義,物體的引力勢能是物體與天體中心之間距離r的函式,方程式為G·M·m/r,其中G是萬有引力常數,它的值為6.673×10^-11N·m^2·kg^-2。使物體的動能與引力勢能相等,我們可以得到:
在這個等式中,我們可以更換不同的M和r的值,來確定不同天體的逃逸速度。根據方程中v和r的關係,我們可以知道,距離天體越遠的物體就越容易逃離天體。很明顯,這是因為隨著天體慢慢地遠離天體,物體所受到的天體的萬有引力的大小會逐漸減弱。
圖解:逃逸速度表
最後,我們可以從等式中推斷出行星的逃逸速度與物體的品質無關。這聽起來有點違反直覺,但是無論是恐龍還是烏龜,要想逃離地球,都必須要達到11.2km/s的速度(在忽略空氣阻力的情況下)然而,加速度是物體品質的函式,所以即使他們逃離地球引力場所需要的最小速度相同,但是恐龍的加速過程要比烏龜的加速過程更加困難。
相關知識延伸閱讀
宇宙速度,是指物體從地球出發,要脫離天體重力場的四個較有代表性的初始速度的統稱。計算宇宙速度的基本公式如下:
航天器按其任務的不同,需要達到這四個宇宙速度的其中一個。例如人類第一個發射成功的星際探測器月球1號就需要達到第二宇宙速度,才能擺脫地球重力。而旅行者2號則需要達到第三宇宙速度,才能離開太陽系。
圖解:A: 跌落地球<7.9 km/s B: 跌落地球 C: 圓周運動 = 7.9 km/s D: 橢圓軌道 E: 逃逸 > 11.2 km/s
宇宙速度的概念也可應用於在其他天體發射航天器的情況。例如計算火星的環繞速度和逃逸速度,只需要把公式中的M,R,g換成火星的品質、半徑、表面重力加速度即可。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. sciabc-一個沒有天賦的人