最近有人在网络上提出,万有引力与卫星上天“马牛羊不相及”,根本测不到一块。实在不知道这种人凭什么这么说,下面我们就来讨论一下这个问题。
没有万有引力的发现和对引力规律的认识,怎么可能会有卫星上天呢?而且没有爱因斯坦狭义相对论和广义相对论对经典力学的修正,也不可能有现代航天技术的发展。万有引力定理就是说世界上万事万物,只要有质量就有相互作用的引力存在,只不过是物质很小的情况下,这种引力影响微弱,难以觉察出来。但在大质量天体之间,这个作用就很明显了。
引力作用大小与质量乘积成正比,与距离平方成反比,这就是万有引力定律的内涵。也就是说两个物体质量越大引力越大,距离越远引力作用越小,反之亦然。
计算物体之间引力大小的公式为:F=(Gm1m2)/r²
m1、m2表示两个物体的质量,r表示它们间的距离,G表示万有引力常数(=6.67408×10N·m²/kg²)。
而爱因斯坦广义相对论揭示了引力的根源,就是质量对周围时空扰动导致的时空弯曲。
表现为大质量物体周边会有一个引力漩涡或者陷阱,小质量物体经过其附近,就会被这个漩涡(陷阱)所吞噬,表现出的现象就是被吸引。
而要逃出这个陷阱的方法就是速度,只有足够快的速度,才能够经过大引力源附近时不被吞噬。就连光也不例外。比如在黑洞视界里,光也无法逃脱,说明那里的引力逃逸速度大于光速;光经过太阳附近时,也会被太阳引力陷阱拉扯变的弯曲。
但太阳的逃逸速度为617.7公里每秒,光速为30万公里每秒,因此太阳只能弯曲光线而无法捕捉光线。
那么地球的引力漩涡导致的后果有多严重呢?
我们从日常生活中可以感觉到,任何一个物体都受到地球的引力吸引,一张桌子,一个人都被吸引在地面上。如果你想脱离这个引力作用是很难办到的,所以你想跳也跳不了多高,如果你已经在楼顶上往上跳,想跳到天上去,结果跳出楼顶就会被地心引力把你快速往下拽,最后吧嗒摔在地上成了一滩肉泥。
飞机花费了大量的燃料,采用空气动力学能够飞到万米高空,但仍然无法摆脱地心引力,只要发动机一停失速,就会摔下来,成为一场惨烈的空难。
那么要怎样摆脱地球引力让人造卫星或者宇宙飞船飞到太空呢?
人类通过研究两个质点在万有引力作用下的运动规律,就是逃脱时空漩涡的规律,找到了对付地球和太阳引力漩涡的三种速度,这就是第一宇宙速度(环绕速度),第二宇宙速度(脱离速度),第三宇宙速度(逃逸速度)。
所谓环绕速度就是正好与地球引力平衡,在一定的高度围绕着地球旋转,既摆脱不了地球引力,也不会被引力所拽下,这个速度为每秒7.9公里;脱离速度实际上就是地球的逃逸速度,就是可以摆脱地球引力能够飞往别的行星,这个速度为每秒11.2公里。
这里的第三宇宙速度所谓逃逸速度,实际上是相对于太阳引力而言,是在地球这个距离,逃脱太阳引力束缚的速度。我们知道太阳逃逸速度为617.7公里每秒,但这是在太阳表面的逃逸速度,而引力大小与距离平方成反比,因此在地球这个位置逃逸速度只需每秒16.7公里就够了,就能够脱离太阳引力,飞往太阳系以外。
人们根据这个理论,根据地球与卫星的质量和发射高度,就能够计算出需要的速度,这就是卫星发射与万有引力理论的关系。
如果没有对于引力的认识和计算,怎么发射航天器呢?胡乱发射?要么飞的不知所踪,要么啪嚓摔地上了。
但为什么又说没有爱因斯坦的相对论,也没有如今的航天技术发展呢?
这是因为爱因斯坦相对论修正了牛顿经典力学的一些误差。因为牛顿的经典力学适用对象是低速宏观物体,适用的是伽利略变换,这些现象即使有微小的差距也很难看出来。而爱因斯坦相对论适用于高速微观运动,适用的是洛伦兹变换。
航天是一种速度很快的事物,必须考虑相对论效应,才能够更精确和到达目标。
比如时间膨胀效应,根据狭义相对论,地球同步卫星上原子钟每天要比地球上的时间慢7微秒,而根据广义相对论卫星的原子钟要快45微秒,这样就要综合调整,否则在定位、导航等方面就会失之毫厘,谬之千里。
如果发射远距离航天器,没有考虑相对论效应就更没有办法导航和跟踪了,发射出去的航天器就会不知所踪。现在飞行最远的旅行者1号探测器已经到达星际空间,距离我们216亿多公里了,这种精准的计算没有相对论效应调校是不可能实现的。
这就是万有引力在航天中的运用,欢迎大家共同探讨。时空通讯原创版权,转载或引用请注明出处,抄袭等侵权行为将会受到追究。谢谢理解和支持。,