操作说明

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在我选择的这个距离下,当速度为 2280 英里/小时 时,航天器将进入轨道(其惯性力与地球引力达到平衡)。


思考与实验

  • 当向前速度低于轨道速度时会发生什么?

  • 当向前速度高于轨道速度时又会发生什么?

牛顿是否只是好奇“苹果为什么会往下落”?
还是他也曾想象过,一个物体可以“坠入”轨道?

牛顿意识到:如果一个物体被向前发射(例如用火箭推进器),它完全可以“围绕地球下落”。
如果没有足够的向前速度,它就会直接坠落到地面。

牛顿的突破性思想在于:引力同时适用于“下落”和“轨道运行”的物体。他在“下落”这一概念上做出了伟大的关联。

通过这一思想实验,牛顿认识到——轨道上的物体同样在“下落”,只不过它们拥有足够大的向前速度,从而能够持续“围绕地球下落”。


轨道速度

轨道速度 是指航天器在特定高度上,维持稳定圆形轨道所需的最小速度。

  • 若初始速度高于轨道速度,航天器将飞离地球,进入太空

  • 若初始速度低于轨道速度,航天器终将坠入地球


牛顿的苹果思想实验(变体)

如果你从极高的高度水平抛出一个苹果,它在落地前会飞行一段距离。
如果速度足够快,当引力将它向下拉时,地球表面已经“弯曲远去”——苹果将“围绕”地球下落,而不是“朝向”地球坠落。

因此,轨道速度 就是让“卫星”持续下落、却始终“错过”地球的水平速度——因为地球的曲率以与卫星下落相同的速率向下弯曲。

当苹果的惯性力地球引力达到平衡时,即达到轨道速度。
这种平衡可以通过引力等于向心力来表达(卫星的质量在等式两边抵消,因此无关紧要):

v=GMr

其中:

  • v = 轨道速度

  • G = 万有引力常数

  • M = 地球质量

  • r = 轨道半径(地心到航天器的距离)

由此可得:

r=GMv2


补充说明

  • 牛顿的原始思想实验中使用的是从大炮发射的炮弹,而非苹果。当炮弹的初速度达到轨道速度时,它应能保持在轨道上运行。

  • 本实验中假设苹果在距离地球表面 238,900 英里 的高度轨道运行(约等于地月距离),因此绕地一周大约需要 27.3 天,接近月球的公转周期。

  • 月球绕地球的公转速度约为 2,170 至 2,420 英里/小时(速度不恒定,因为月球轨道呈椭圆形)。


补充公式

轨道速度公式:

v=GMr

逃逸速度公式:

v=2GMr


探索引力与轨道的奥秘!



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