Термин «космическая скорость» часто используется в дискуссиях о космических путешествиях. Первая космическая скорость Земли относится к скорости, необходимой для движения объекта по орбите или по параболической траектории с выключенным двигателем. Это количество обычно дается космическим кораблям во время их запуска с поверхности Земли для вывода на орбиту. Вычисление первой космической скорости связано с использованием формул, которые обычному человеку может быть трудно понять.
В науке выделяется несколько значений данного вида:
- первая космическая скорость – орбитальная;
- вторая космическая скорость – планетарная;
- третья космическая скорость – звездная;
- четвертая космическая скорость – галактическая.
При запуске космических объектов наиболее распространенными формулами для расчетов являются первая и вторая космические скорости. В этих формулах рассматривается однородная поверхность Земли, имеющая форму сферы с радиусом 6371 км.
Величина центробежной силы используется в расчетах для противодействия универсальной силе тяжести, действующей на материальные тела. Это помогает преодолеть гравитацию. Формула первой космической скорости в физике наряду с другими подобными величинами учитывает тип движения аппаратов и воздействие силы гравитации космических объектов.
Принцип орбитальной скорости
Все небесные тела, обращающиеся по орбите, обладают орбитальной скоростью. Конфигурация и размеры орбитальной траектории определяются скоростью движения тела и его направлением, а также высотой, на которой был отключен двигатель космического корабля.
Расчет начальной космической скорости должен учитывать гравитационное влияние небесных тел, находящихся в сфере действия в момент старта космического объекта.
Первая космическая скорость — это термин, используемый в физике и космонавтике, который относится к скорости, необходимой для того, чтобы спутник мог поддерживать круговую орбиту вокруг планеты, не покидая ее и не врезаясь в нее. В этом сценарии орбита остается круговой.
Уравнение для начальной орбитальной скорости
Начальная орбитальная скорость Земли — это минимальная скорость, необходимая для того, чтобы объект без двигательной установки оставался на круговой орбите вокруг Земли, игнорируя атмосферное сопротивление и вращение планеты. Эта скорость соответствует орбите, которая находится на том же расстоянии от поверхности Земли, что и радиус Земли.
Рассчитывается первая космическая скорость по формуле
\displaystyle \displaystyle |v|=\sqrt{\frac{GM}{R+h}} ,в которой радиус орбиты запущенного тела создается радиусом планеты, с которой произошел запуск, и высоты на которую удалось от отправить объект при старте.
В формуле первой космической скорости M — масса планеты (в кг),
R — радиус планеты (м),
h — расстояние от поверхности планеты (м),
— гравитационная постоянная.
Первая космическая скорость по формуле рассчитывается из формул силы притяжения и центробежной силы, равенство которых тело испытывает, вращаясь на заданной орбите вокруг планеты.
Для следующих небесных объектов первая космическая скорость составляет примерно:
- для преодоления гравитации Земли 8000 м/c
- для преодоления гравитации Солнца 437000 м/c
- для преодоления гравитации Луны 1680 м/c
- для преодоления гравитации Марса 3530 м/c
Вторая космическая скорость
Параболическая скорость, также известная как скорость убегания, представляет собой минимальную скорость, которую небесное тело должно достичь, чтобы освободиться от гравитационного притяжения Земли и отправиться к другим планетам Солнечной системы. Эту скорость можно определить по специальной формуле.
\displaystyle v_2=\sqrt{2G \frac{M}{R}},где M — масса планеты, кг,
R — радиус планеты.
Вторая космическая скорость для преодоления гравитации Земли составляет примерно 11,2 км/с.
Как только тело достигло космической скорости, оно больше не будет испытывать никакого ускорения от негравитационных сил, поскольку двигатель выключен и в космосе нет атмосферы.
Согласно формуле вторая космическая скорость для различных планет имеет следующие значения:
- для Земли 11,2 км/с;
- для Солнца 617,7 км/с;
- для Луны 2,4 км/с.
Движение при таком ускорении осуществляется по параболе.
Связь первой и второй космических скоростей
Первая и вторая космические скорости связаны соотношением:
\displaystyle v_2=v_1 \sqrt{2}Что такое третья космическая скорость
Чтобы достичь внешних пределов нашей Солнечной системы, космический корабль должен иметь поразительную скорость. Расчеты для этого путешествия учитывают необходимость достижения ракетой необходимого ускорения еще до того, как она покинет Землю. Предполагается, что оказавшись в космосе, ракета не получит никакого дополнительного ускорения, кроме силы тяжести. В этом сценарии ракета движется со скоростью, аналогичной скорости Земли, когда она вращается вокруг Солнца.
Третья космическая скорость определяется с учетом орбитальной скорости движения планеты вокруг Солнца. При старте ракеты с Земли, для выхода ее из Солнечной Системы — необходима минимальная скорость примерно 16,650 км/с.
Что такое четвертая космическая скорость
Расчет этого параметра имеет решающее значение, когда космический корабль должен покинуть галактику Млечный Путь. Однако этот термин не является широко используемым в космонавтике, поскольку в настоящее время не существует устройств, способных совершить такое обширное космическое путешествие.
Четвертая космическая скорость, которая представляет собой минимальную скорость, необходимую для того, чтобы ракета покинула галактику, оценивается примерно в 550 км/с. Это значение используется только в теоретических моделях, созданных астрономами и физиками.
На сегодняшний день такую скорость демонстрирует лишь ограниченное число пульсаров, например, пульсар B1508+55, который движется со скоростью 1000 км/с. С другой стороны, звезды, расположенные близко к черным дырам, могут набирать значительную скорость, если они подвергаются внезапному ускорению движения, в результате чего скорость может достигать 4000 км/с.
То есть, получается, всего то построить такой аппарат, чтобы мог преодолевать нужную космическую скорость и можно хоть на орбиту, хоть к другим планетам, хоть к другим галактикам.
В принципе к звёздам можно лететь на любой скорости, не обязательно на «пятой». Хоть 2 миллиметра в неделю. Просто это будет энергетически невыгодно.
Первая космическая скорость, также известная как орбитальная скорость, впервые была рассчитана английским физиком и математиком сэром Исааком Ньютоном в конце 17 века.
В своих законах движения и всемирного тяготения Ньютон вывел уравнение для скорости, необходимой для того, чтобы объект оставался на круговой орбите вокруг центральной массы, такой как Земля.
Это уравнение, известное как уравнение vis-viva, до сих пор используется для расчета орбитальной скорости объектов в космосе.
Первая космическая скорость равна квадратному корню из гравитационной постоянной, умноженному на массу центрального объекта, деленному на радиус орбиты.
Значение первой космической скорости варьируется в зависимости от массы и радиуса центрального объекта и обычно измеряется в метрах в секунду.
Существует четыре типа космических скоростей:
Первая космическая скорость: это минимальная скорость, необходимая для достижения круговой орбиты вокруг небесного тела, такого как Земля или Луна.
Вторая космическая скорость: это минимальная скорость, необходимая для того, чтобы избежать гравитационного притяжения небесного тела и выйти на эллиптическую орбиту вокруг него.
Третья космическая скорость: это минимальная скорость, необходимая для того, чтобы избежать гравитационного притяжения небесного тела и выйти на параболическую орбиту вокруг него.
Четвертая космическая скорость: это минимальная скорость, необходимая для того, чтобы избежать гравитационного притяжения небесного тела и выйти на гиперболическую орбиту вокруг него.
Первая космическая скорость была впервые рассчитана Исааком Ньютоном в 17 веке, а остальные три были позже рассчитаны другими учеными на основе его работы.
Вторая космическая скорость, также известная как скорость убегания, была впервые рассчитана физиком и астрономом Иоганном Готфридом Галле в середине 19 века.
Третья космическая скорость, также известная как скорость переноса, была впервые рассчитана американским физиком и аэрокосмическим инженером Робертом Х. Годдардом в начале 20 века.
Четвертая космическая скорость, также известная как гиперболическая скорость, была впервые рассчитана русским ученым-ракетчиком Константином Циолковским в конце 19 века.
Вторая космическая скорость, также известная как скорость убегания или параболическая, представляет собой минимальную скорость, которую должен иметь объект, чтобы избежать гравитационного притяжения небесного тела. Обычно выражается в метрах в секунду или километрах в секунду.
Понятие космической скорости было впервые предложено физиком Иоганном Готфридом Галле в 19 веке, а затем было уточнено и математически выведено физиком Карлом Шварцшильдом в 1916 году. Величина космической скорости зависит от массы и радиуса небесного тела в вопрос. Например, скорость убегания Земли составляет около 11,2 км/с, а скорость убегания Солнца — около 617,7 км/с.
Понятие скорости убегания важно для понимания движения объектов в пространстве, поскольку оно определяет, сможет ли объект избежать гравитационного влияния небесного тела. Это также является ключевым фактором в конструкции космического корабля, поскольку космический корабль должен быть в состоянии достичь по крайней мере космической скорости небесного тела, чтобы вырваться из-под его гравитационного притяжения и отправиться в другое место назначения.
Помимо практического применения, понятие скорости убегания также имеет интересные теоретические последствия. Например, считается, что скорость убегания черной дыры равна скорости света, а это означает, что теоретически невозможно для любого объекта избежать гравитационного притяжения черной дыры после того, как он пересек горизонт событий.
Эта концепция известна как «информационный парадокс черной дыры» и до сих пор является предметом многочисленных научных исследований и дискуссий.
Отличная инфа. Спасибо. В школе доклад задали. Вы мне конкретно помогли.