人們對飛行充滿瞭幻想,網絡上有很多這樣的問題。比如地球在自轉,飛機隻要飛到空中不動,一天不就圍繞著地球轉瞭一圈,這多省油省力呀。這類問題過去多有回答,有興趣的朋友可以查閱時空通訊早些時候發過的相關文章,就不多說瞭。今天說說有些網友提出的:飛機要飛多高才不受地球引力牽扯呢?

飛機要飛多高就不受地球引力控制,怎樣才能逃出地球引力?

飛機飛得再高也受地球引力牽制。因為飛機是依靠空氣動力學飛翔的飛行器,是在大氣層裡活動的,出瞭大氣層,飛機就沒有瞭空氣的托舉,那兩個翅膀和尾翼就沒用瞭,就會掉下來。而且飛機發動機也是需要氧氣維持的,到瞭太高的空中發動機缺氧就會熄火,也是要掉下來的。

目前飛得最快最高的飛機是上世紀60年代老美的X-15A試驗機,飛行速度達到6.72馬赫(7274km/h),飛行高度最高達到10.8萬米。正應瞭孫悟空的十萬八千裡之說,不過這裡隻有10萬8千米。但這種飛機已經不能完全算作飛機瞭,它是以北美航空公司研制的火箭發動機為動力的,嚴格意義上來說,有點像火箭瞭。

飛機要飛多高就不受地球引力控制,怎樣才能逃出地球引力?

火箭為什麼可以飛到更高的太空呢?就是因為它配備瞭火箭發動機,而火箭發動機是不需要氧氣助燃的,其燃料中配備瞭阻燃劑,比如用液氫和液氧2:1混合,等於是自己帶瞭氧氣燃燒。而且火箭不是依靠空氣托舉飛升,而是依靠反作用力,往下或往後噴射熾熱高速氣體推進自身,理論上隻要燃料足夠,它就可以一直飛。

這時大氣層的空氣反而成瞭阻力,所以以後飛往遙遠深空的飛船會越來越多的在太空發射或者月球上發射,因為那裡沒有大氣阻力,且重力影響更小。

飛機要飛多高就不受地球引力控制,怎樣才能逃出地球引力?

引力是遠程力,理論上作用無限遠。飛多久就能夠飛出地球引力,這恐怕沒有一個止境。因為引力理論上作用無限遠,到瞭天邊宇宙邊緣,地球的引力理論上也還在,也就是說要完全飛出地球引力是不可能的。但引力又是弱力,其引力大小是與質量成正比,與距離平方成反比的,其遵循的公式為:F=GMm/r^2。

這裡,F表示引力大小,G為引力常量,M和m表示引力相互作用兩個物體的質量,r為兩個物體質點間的距離。從公式可以看出,相互作用的兩個物體質量越大,引力越大,而距離越遠,引力衰減的越厲害,而且是呈平方級衰減。這樣,距離遠瞭,引力就很微弱瞭。

太空中有各種各樣的天體,引力會互相影響。所以雖然引力作用可以到達無限遠,但這個無限遠隻是象征性的,到瞭一定距離就非常微弱,而且很難感覺和測量到瞭。這樣,根據不同天體質量和天體與天體之間的相互作用,每個天體引力就有瞭一個影響范圍,在這個范圍內,引力就能夠對其附屬物體起作用,出瞭這個范圍,就無法影響瞭。

飛機要飛多高就不受地球引力控制,怎樣才能逃出地球引力?

這個范圍就叫希爾球半徑。希爾球半徑的計算公式為:r=a*立方根[m/(3*M)]

其中r為希爾球半徑,m為被計算希爾球天體質量,M為影響m運行軌跡的大天體質量,a為m公轉軌道的半長軸。

根據這個公式,地球的希爾球半徑約150萬千米,也就是說,在150萬千米半徑這樣一個球形范圍,地球的引力起著控制作用,如果到瞭150萬千米之外,地球就管不著瞭。月球距離我們平均約38.4萬千米,因此完全在地球的控制當中,隻能夠圍繞著地球公轉。

而月球的希爾球半徑約6.14萬千米,在距離月球這個范圍內,小天體受月球引力牽制,而在這個邊緣地帶,地月引力產生瞭一個平衡。

飛機要飛多高就不受地球引力控制,怎樣才能逃出地球引力?

日地拉格朗日點就是在距離地球150萬千米處的幾個點,在那裡地球引力與太陽引力達到瞭一個平衡,理論上在那裡的人造天體不需要燃料或很少燃料,就能長期駐留。事實世界上有很多探測器、空間望遠鏡就是在這些位置運行。我國2019年發射的鵲橋號中繼星,是首顆在地月拉格朗日點L2運行的航天器。

所以嚴格意義上來說,任何飛行器要飛出地球引力,必須飛到150萬千米之外。飛機當然也不例外,但飛機不但無法飛出地球引力,連地球大氣層的16千米對流層也飛不出。

飛機要飛多高就不受地球引力控制,怎樣才能逃出地球引力?

要脫離地球引力控制必須達到一定的速度。愛因斯坦廣義相對論認為,引力的本質是質量對周邊時空導致的擾動和扭曲,這個扭曲的結果就是大質量天體周圍充滿瞭引力漩渦或陷阱,要逃脫這個漩渦或陷阱,就必須飛快的跑,就像逃出大海的漩渦一樣,必須把船開的飛快,才能夠逃脫。

所以,逃脫引力就必須達到一定的速度,引力越大,所需要的速度就越快。也就是說,速度越快就越能夠更快的逃出引力的魔掌。上圖形象的說明瞭逃脫引力的方法:愛因斯坦努力的蹬著自行車,才能夠避免自己掉落到引力陷阱裡去。

飛機要飛多高就不受地球引力控制,怎樣才能逃出地球引力?

根據引力公式,科學傢們得出瞭地球上三個宇宙速度,即第一宇宙速度,每秒為7.9千米,又叫環繞速度;第二宇宙速度,每秒11.2千米,又叫脫離速度;第三宇宙速度,每秒為16.7千米,又叫逃逸速度。

達到瞭第一宇宙速度,就可以與地球引力抗衡,既不被地球引力所拉下來,也脫離不瞭地球引力控制,現在的人造衛星和空間站、太空天文臺(空間望遠鏡)等人造天體,就是按照這個速度發射的;達到瞭第二宇宙速度,就能夠脫離地球引力,飛到150千米地球希爾球半徑以外的空間,前往其他行星訪問,所有前往火星、金星、木星、土星等行星探測器,都必須大於這個速度;達到第三宇宙速度,就能夠脫離太陽引力,飛往太陽系以外。

現在的旅行者1號,就是以每秒約17千米的速度向太陽系以外飛去,距離我們已經有223億多千米瞭,是人類迄今飛行最遠的探測器。

飛機要飛多高就不受地球引力控制,怎樣才能逃出地球引力?

天體脫離速度就是逃逸速度。第二宇宙速度11.2km/s雖然叫脫離速度,實際上就是地球逃逸速度。其實每個天體都有自己的逃逸速度,計算這個速度的公式為:v=√(2GM/R)

這裡,v為逃逸速度,G為引力常量,M為被逃逸天體質量,R為天體半徑。這個公式是計算一切天體逃逸速度的公式,任何天體根據這個公式計算,都能夠得到其逃逸速度。

比如太陽,根據這個公式計算,隻要達到617.7km/s的速度,就可以逃離太陽引力。這個逃逸速度是指天體表面逃離所需達到速度,如果距離天體已經有一定距離瞭,根據引力定律公式,引力已經衰減瞭很多,這樣逃逸速度就不需要那麼大瞭。

飛機要飛多高就不受地球引力控制,怎樣才能逃出地球引力?

比如在距離太陽1.5億千米的地球位置,太陽的逃逸速度隻需要約42km/s,而地球公轉線速度為每秒29.8千米,在這裡發射航天器,借助地球公轉甩力,隻需要16.7km/s就既可以逃出地球引力,也能夠逃出太陽引力瞭。

第三宇宙速度計算公式為:v=√(v’^2+v"^2)

v為第三宇宙速度;v’為地球逃逸速度-公轉速度42.2-29.8=12.4km;v”為第二宇宙速度。

所以飛機再飛多高也無法飛出地球引力,不受地球引力牽制的飛機是不存在的,而宇宙飛船飛出地球引力就必須遵循引力定律,達到第二宇宙速度,飛到距地球150千米以外,就脫離地球引力瞭。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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