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  • 同步衛(wèi)星速度為什么不能等于宇宙第一速度?

    同步衛(wèi)星速度為什么不能等于宇宙第一速度?
    如果同步衛(wèi)星速度小于第一宇宙速度,那個(gè)衛(wèi)星豈不是做近心運(yùn)動(dòng)?
    物理人氣:524 ℃時(shí)間:2020-06-02 03:00:01
    優(yōu)質(zhì)解答
    宇宙速度是指視作質(zhì)點(diǎn)的無(wú)動(dòng)力航天器脫離天體表面的的最小發(fā)射速度(不考慮天體自轉(zhuǎn)對(duì)航天器的速度加成;更確切地說(shuō),發(fā)射速度是指航天器脫離運(yùn)載工具后的速度,但簡(jiǎn)化起見(jiàn),視作從表面發(fā)射的初速度),而不是在軌運(yùn)行速度.
    一般而言,第一宇宙速度是脫離天體表面進(jìn)入近表面圓環(huán)繞軌道的最小速度.對(duì)于近球形天體,這個(gè)發(fā)射速度大小近似和在軌運(yùn)行速度的相等,因?yàn)榻砻鎴A軌道上航天器受到的向心力等于它受到的引力(忽略其它天體的作用):mv1²/r=GMm/r²,這里軌道高度r和天體半徑R相等,于是v1=√GM/R.地球的v1約7.91km/s.
    第二宇宙速度是航天器靠自身初動(dòng)能脫離天體表面至無(wú)窮遠(yuǎn)處(只是理想情況;實(shí)際是到該天體引力影響可以忽略不計(jì)處)需要的最小速度.可以通過(guò)解萬(wàn)有引力勢(shì)能關(guān)系得到:U(r)=-GMm/r,無(wú)窮遠(yuǎn)處(r→+∞)為0.于是航天器脫離表面到無(wú)窮遠(yuǎn)處至少克服引力做功W=0-U(R)=GMm/R²=0.5mv2²,解得v2=√(2GM/R).(也可以不用勢(shì)能公式,利用功能原理直接積分得到.)(LS的和g關(guān)聯(lián)的計(jì)算方法不正確.) 對(duì)于地球,v2≈11.2km/s.
    第三宇宙速度要看天體決定.對(duì)于行星,一般指脫離行星系的最小發(fā)射速度.例如,地球的第三宇宙速度是指航天器飛離太陽(yáng)系,由地面發(fā)射時(shí)的最小速度.LS做法是錯(cuò)的,用太陽(yáng)的參數(shù)代入,解得v'≈42km/s,還需要考慮地球公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度v地≈30km/s,v3=√(v'²-v地²)≈16.7km/s.
    航天器的發(fā)射速度和在軌運(yùn)行速度的大小區(qū)別,原因是航天器脫離天體時(shí),克服引力做功,引力勢(shì)能增大,動(dòng)能減少,于是速度變小.只有軌道距離天體表面很近時(shí),軌道半徑和球形天體半徑相等,才可以忽略其中的區(qū)別,這種情況下在軌運(yùn)行速度看作等于發(fā)射速度——第一宇宙速度.
    現(xiàn)在回到同步衛(wèi)星的問(wèn)題上來(lái).地球同步衛(wèi)星是地球向同步軌道(在軌運(yùn)行角速度等于地球自轉(zhuǎn)角速度,軌道半徑r≈35793km)發(fā)射的衛(wèi)星.顯然與地球平均半徑R≈6378km相比,r-R不能忽略,于是動(dòng)能損失0.5m(r²-R²)不能忽略,因此在軌運(yùn)行速度遠(yuǎn)比第一宇宙速度小得多,大概只有3km/s多點(diǎn).當(dāng)然,同步衛(wèi)星的發(fā)射速度比這個(gè)速度要大.
    其實(shí)造成LZ認(rèn)識(shí)誤區(qū)的關(guān)鍵在于LZ忽略了引力勢(shì)能的作用(= =才發(fā)現(xiàn),害我廢話(huà)了半天,手都軟了...).
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