说到“第一宇宙速度”,咱们不整那些虚头巴脑的“为了人类繁荣”、“为了知足科学探索”这种大道理,就把它当成一个帮你捡石头不掉地的速度

这玩意儿在天上到底是啥概念,你脑补一下想象一下:地球是个大房子,重力就是房子顶上的那根拉着你往下掉的绳。你要是脚底没沾地,顺着绳子跑,肯定能掉到月球去;但你要是脚底一蹬地,脚底瞬间就贴上了房子地面,那绳子立马就松了,你就像被弹回了一样,稳稳地就停在了房子上。

这时候,你的脚底和房子地面之间,就形成了一个庞大的推力,这个推力正好能把你拽回空中,让你悬停不动。

这个能把你“按住”在地面的力,就是万有引力。你每秒能跑多快,这个速度就叫作速度。 这个速度的大小,可不是随意猜出来的,它是经过无数次计算,最“经济”的一种方案。

为啥叫“第一”呢,那是出于它只解决一个难题:我们能不能在不飞起来的情况下,稳稳地站在地球表面,而不是掉进去?要是你飞得更快了,比如每秒能跑 1000 米,那你跑得越快,脚底抓地的劲儿就越小,你抓不住地了,就会不由自主地跳起来,越跳越高,直到冲上忒空去。而要是你飞得更慢了点,比如每秒只能跑 800 米,别看你能抓住地,但在你上升的过程中,万有引力还在拼命往下拽你,让你越来越慢,你只能像滑滑梯一样慢慢降落,这就叫“失重”了。

故此,8.4 到 8.5 这个区间,就是那个能把你既抓得住地,又不会让你飞起来,还能让你慢慢落下的那个“刚好”的刻度。 这个数值到底是多少,咱们来算一笔账。地球是个球体,绕着地轴转,转一圈大约需求 24 小时。

要是我们不绕着地轴转,而是像个陀螺一样,绕着地心转一圈,那速度就会略微快一点,大约能达到每秒 7.5 米多一点。但这话听着有点抽象,咱们换个思路。想象你站在地球表面,你需求走一天,才能绕着地球转半圈。

这听起来多慢啊?就你一天走那么少的距离,如何就能转如此个圈?这说明,你走的速度务必得挺快,快到你走一步,地球就得绕你半圈。

这个逻辑绕回来,不就变成了你要走多快才能不输给地球自转吗? 要算出这个确切数字,得把公式拆开来看。公式就是一条好办的定律:速度等于引力除以半径。引力的大小,跟你的质量、地球的引力常数、还有你离地球中心的距离相关。半径就是地球这个球体的大小,目前公认的长度大约是 6371 公里。至于“引力”,这玩意儿实际上是个常数,不管你在哪儿,地球对你的拉力都是一样的,这就好比你在月球上,别看地球把你拽着,但月球也在拽你,它们俩合力拉你,这就是引力。把这些东西拼凑成那个著名的公式 $v = sqrt{GM/r}$。 在这个公式里,$G$ 是个常数,$M$ 是地球质量,$r$ 是距离地心的距离。

要是 $M$ 变大,要么 $r$ 变小,速度 $v$ 就得变大。

这就好比你要推一辆小车,车越重($M$ 大),推起来越费劲;车离你越近($r$ 小),推起来相对越好办,出于反弹回来的冲击力越大。

故此,为了把速度定得刚刚好,就得把 $M$ 和 $r$ 这两个变量都寻思到。 具体算出来,$v$ 大约等于每秒 7923 米,也就是一万九千多厘米,要么说是每秒 7.923 公里。

这个速度在物理书上叫第一宇宙速度,但咱们一般/平平人知道,它就是“升空速度”。你这时候的速度是多少呢?你要是跑得快,你就飞起来了,那地球引力就失效了,你就连能直接飞出地球。

要是跑得慢,你只能被地球引力拽着走,那你就得飞到更高 altitude 的地方才能停住。

故此,这个速度就是你在这个高度,刚好能“挂住”地球。 举个具体的例子,假设你在地表跑,你每秒跑 10 公里,那你的速度就已经超过了 7.923 公里/秒。

这时候,你跑得比地球自转供给的离心力还快了,故此你整个人就会飘起来吧。你不用踩踏板,光光是你脚蹬地的冲击力,就能把你托起来。

这就是为啥在地球上,你非要再加速,非得加速到第一宇宙速度不可。 再换个角度想,要是你不在地表,而是在高空。比方说在平流层,要么说在氢气球上面,那里的空气稀薄,引力比地表小。

这时候,你同样的速度,或许就能停住。出于阻力小了,要么引力小了,你不需求那么快的速度就能平衡掉地球的引力。

这就好比你在地上跑,重力挺大,你得跑得特别快才能不掉下去;到了高空,重力变小了,你可能只需求慢一点,要么借助一个向上的推力,就能稳稳地停在离地几百公里的地方。 实际上,这个速度之故此如此神奇,是出于它是个“临界点”。低于这个速度,世界就往下掉;高于这个速度,你就启动往上飞。

这就是为啥 2018 年 9 月,中国发射的“天宫”空间站,要维持在离地 300 公里以上,它需求的速度才是一万六七千米每小时。而“神舟”飞船在发射时,是想贴着地面飞,故此它的速度得等于或略大于第一宇宙速度,这样才能不掉进地洞,也不飞忒远。 咱们再说说“轨道”这个词。轨道是啥?它实际上就是一个圈,就像你绕着地球转圈,但这个圈不是随机的,它是被引力紧紧咬住的。你速度够快,你的轨道就大,离地球远,转得慢;你速度不够快,你的轨道就小,离地球近,转得快。

这个“大”和“小”,还有“快”和“慢”,就是轨道的直径和线速度。当你的轨道半径正好是地球半径的时候,你转得就最快,这速度就是第一宇宙速度。 大量人会认定,这速度在地球上跑都快得惊人,那在忒空中岂不是慢得像蜗牛一样?但这彻底是概念上的混淆。在忒空中,没有重力,没有摩擦力,没有空气阻力,你根本不需求靠地球引力来“拉住”自己。你能够像开赛车一样,冲到 10000 公里每小时然后直接飞那会儿。但要是你忒慢了,比如在真空里慢跑,你还是会不由自主地掉进地心去。

故此,第一宇宙速度在地球上是“抓手”,在忒空中则是“刹车”。 自然,除了地球,还有其他星球。

比如木星,它比地球大得多,引力也是地球的大量倍,故此你去木星上,想要贴着表面不动,你得跑得比这更快。火星小一些,引力也弱点,那你跑得就慢一点也行。每一个星球都有自己的“上线”,每条线都不一样。但唯独地球,出于它是人类的家,故此我们关切它。

这个速度,就是人类在茫茫宇宙中,第一次学会如何像鸟儿一样,抓住地球的引力,稳稳地停在地上,要么像火箭一样划破大气层,冲向天际的那道门槛。 说到底,第一宇宙速度就是人类在利用万有引力定律,征服天空的第一把钥匙。它不是魔法,不是神迹,它就是一个令人咋舌的数学结局,是你脚底一蹬,就能换来整个宇宙方向的转变。

只要你记住这个速度,你就知道,只要速度够快,你哪怕连大气层都穿不透,也能像子弹一样射向忒空;只要你速度慢点,你就得乖乖地玩命地爬向地面。

这大约就是宇宙最朴素也最深刻的道理:快,就有路;慢,就无路。