衛(wèi)星為什么掉不下來？

湖北省襄陽市襄州區(qū)黃集鎮(zhèn)中心學(xué)校 尹濤

我們知道，飛機(jī)在飛行過程中，機(jī)翼能像鳥的翅膀那樣，借助空氣把機(jī)身托在空中。而衛(wèi)星沒有翅膀，卻能夠在沒有空氣的太空中安然飛行，它為什么不會(huì)掉下來呢？

要說明這個(gè)問題，我們不妨想象一下：如果站在高山上水平扔皮球，由于受到地球引力的作用，皮球飛行一段距離就會(huì)落到地上，整個(gè)飛行路線是彎曲的弧線。如果扔的力氣小，皮球飛行的速度就慢，會(huì)飛到近處落下來，飛行路線的彎曲程度就大；如果扔的力氣大，皮球飛行的速度就快，會(huì)飛到更遠(yuǎn)的地方才落地，飛行路線的彎曲程度就小。

假如有一位大力士，能將皮球以7.9 千米/秒的速度扔出，那么皮球的飛行路線的彎曲程度，就正好與地球表面的弧度相同，也就是飛行路線近似地球的圓周。這個(gè)時(shí)候，奇跡就發(fā)生了，球不會(huì)落下來了。在沒有任何力量托舉它的情況下，它會(huì)在超低空圍繞地球旋轉(zhuǎn)，并一直這樣運(yùn)行下去，相當(dāng)于一個(gè)小衛(wèi)星。

說到這里，大家一定會(huì)感到這個(gè)7.9 千米/秒的速度很神奇。是的！衛(wèi)星等所有太空飛行器，無需燒一滴油來提供動(dòng)力，就能以這個(gè)速度，自行沿著環(huán)繞地球的軌道，永不停息、不知疲倦地運(yùn)轉(zhuǎn)，比飛機(jī)和火箭節(jié)能得多，而且沒有污染排放。即使衛(wèi)星飛到最后散架了，裂成許多殘片，它們照樣沿著原來的軌道飛行，這就是人們常說的“太空垃圾”。要想讓太空垃圾為其他飛行器騰出軌道，只有設(shè)法使其速度降到7.9 千米/秒以下，這樣它們才能落入大氣層被燒毀。由于速度7.9 千米/秒是地面物體進(jìn)入宇宙的第一道“門檻”，所以它被稱為“第一宇宙速度”，亦稱“環(huán)繞速度”。

看來，不論什么物體，只要速度能達(dá)到第一宇宙速度，并在高空水平飛行（不考慮阻力），就不會(huì)從天上掉下來，可以扮演衛(wèi)星的角色?？墒?，道理雖簡單，做起來卻很難。要讓物體的速度達(dá)到7.9 千米/秒，并不容易。豈不知，出膛的子彈和炮彈速度，通常也不超過2 千米/秒。所以，發(fā)射衛(wèi)星時(shí)必須用大推力火箭來加速，使其達(dá)到第一宇宙速度后，送入繞地軌道，此后不用再施加動(dòng)力，衛(wèi)星也能自動(dòng)運(yùn)行。

人們總是認(rèn)為，扔出去的東西掉下來是天經(jīng)地義的事，這是人們長期生活在地球上形成的習(xí)慣性認(rèn)識(shí)。如果是在太空環(huán)境，扔出去的東西都會(huì)沿著扔出的方向勻速直線飛行，不拉住它，它就會(huì)遠(yuǎn)離扔者而去，絕不可能往下掉。所以，宇宙中遠(yuǎn)離地球的絕大多數(shù)地方，扔出去的東西向“天”外飛去才是正常的。

但有一點(diǎn)必須明白，掉不下來并不等于不往下掉。正常飛行的衛(wèi)星，實(shí)際上是不停地往下掉，只不過下落的路線是一條繞地運(yùn)行的圓形軌道。因?yàn)樾l(wèi)星以第一宇宙速度飛行，基于自身慣性，它每時(shí)每刻都想掙脫地球飛出去。這種掙脫的力量，剛好與地球引力達(dá)成平衡。所以，衛(wèi)星是在地球引力作用下圍繞地球旋轉(zhuǎn)。就跟用繩子拴著石子掄著玩，手通過繩子牽著石子在空中轉(zhuǎn)圈的道理一樣。因此，衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)無需發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，只要有地球引力就足夠了。

說到這里，也許有人會(huì)問：衛(wèi)星環(huán)繞地球表面飛行的速度為什么是7.9 千米/秒，而不是別的速度呢？這個(gè)問題很復(fù)雜，牽扯到很深的力學(xué)原理。如果用一句話簡單地概括，則它是由地球的質(zhì)量和半徑?jīng)Q定的。至于其中的來龍去脈，高中物理課程中講得一清二楚，并且還會(huì)教大家運(yùn)用相關(guān)數(shù)據(jù)，推算出這個(gè)速度的數(shù)值。整個(gè)推算過程，會(huì)讓你領(lǐng)略到科學(xué)知識(shí)的奇妙和有趣。

最后，值得一提的是：衛(wèi)星正常運(yùn)行的速度不全是7.9 千米/秒，有的稍高于這個(gè)值。不過，這樣衛(wèi)星會(huì)有掙脫地球的危險(xiǎn)。對(duì)于這種情況，航天科學(xué)家會(huì)把衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)得低一點(diǎn)，因?yàn)樾l(wèi)星離地球越近，受到的引力就越大，這樣才能把衛(wèi)星拉住。這么做還有一個(gè)好處，能讓衛(wèi)星分層運(yùn)行，避免碰撞。另外，如果衛(wèi)星的速度高于第一宇宙速度，那么衛(wèi)星運(yùn)行的軌道將不再是圓形，而是橢圓形，這就意味著軌道上有近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)，在近地點(diǎn)衛(wèi)星速度很大，超過第一宇宙速度，在遠(yuǎn)地點(diǎn)速度就較小。

然而，衛(wèi)星速度再大，也不能達(dá)到11.2千米/秒。不然的話，它會(huì)脫離地球飛向太空。若衛(wèi)星速度等于或大于11.2 千米/秒，但小于16.7 千米/秒，它會(huì)沿一條拋物線脫離地球的引力場而成為圍繞太陽運(yùn)行的衛(wèi)星，因此11.2 千米/秒被稱為“第二宇宙速度”，亦稱“逃逸速度”。若衛(wèi)星速度再達(dá)到16.7 千米/秒，它會(huì)飛出太陽系，到浩瀚的銀河系中漫游。這一速度被稱為“第三宇宙速度”，亦稱“脫離速度”。此外，還有“第四宇宙速度”，即衛(wèi)星脫離銀河系而進(jìn)入河外星系的速度，這個(gè)速度在110～120 千米/秒之間。

到現(xiàn)在，你應(yīng)該已經(jīng)知道衛(wèi)星掉不下來的原因了，而且對(duì)航天器的發(fā)射和運(yùn)行也有了一定的了解。歸根結(jié)底，它們都是建立在萬有引力定律的基礎(chǔ)之上。1687年，牛頓第一次提出了萬有引力定律，這是17 世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的成果之一。它將地面上物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律統(tǒng)一了起來，對(duì)此后物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。哈雷彗星、海王星、冥王星的發(fā)現(xiàn)，太陽、地球等無法直接測量的天體質(zhì)量的計(jì)算，地球上的潮汐現(xiàn)象的解釋等，都是應(yīng)用萬有引力定律取得的重大成就。同學(xué)們，你們不僅要學(xué)習(xí)和應(yīng)用好這些科學(xué)知識(shí)，還要像牛頓一樣，保持一顆探索之心，做自然規(guī)律的發(fā)現(xiàn)者。