在太空開一槍,子彈最終會飛到哪裡?美太空人曾經做過這樣的實驗

2020-12-17 六分鐘科普

公元1666年牛頓在休假,他在自己花園中的一棵蘋果樹下思考問題,忽然從樹上掉下來一顆蘋果砸到了牛頓的頭,這一砸「砸出」了一個偉大的定律--萬有引力定律。根據萬有引力定律可以知道,一切有質量的物質都有引力,質量越大的物體引力就越強。這個發現是劃時代的,對人類文明具有非常大的促進作用,直到現在各個領域尤其是航天領域還在使用萬有引力定律,平時我們可以經常能夠體會到萬有引力的存在,比如我們向遠處拋出一個球,這個球在做完拋物線之後,最終會落到地面上,之所以落到地面上是因為這個球受到了地球引力影響,被地球引力束縛住了。

牛頓被蘋果砸頭後發現了萬有引力定律

在地球上不管物體的速度有多快,飛得有多遠,最終都會被地球的引力「吸」回來,最典型的就是我們在地球上開槍,子彈射出的速度非常快,一瞬間我們看不到子彈飛到哪裡了,但是可以肯定的是不管子彈飛到哪裡,它最終的歸宿就是地球表面,不會飛到月球上,也不會飛到火星上,更不會飛到宇宙深處,因為子彈無法擺脫地球引力束縛,有人就突發奇想,如果讓太空人帶著一把槍飛到太空,朝地球相反的方向開一槍,子彈最終會飛到哪裡呢?

拋出的球最終落到地面,是因為受到地球引力吸引

這個實驗其實已經有國家試驗過了,那是在2004年的時候,美國航天活動中專門設立了這樣一個實驗項目,就是讓太空人帶著一把槍飛到太空,然後朝著地球相反的方向朝太空開槍,太空人本以為射出去的子彈會一直朝著宇宙深空飛去,一直飛到宇宙的邊際,結果卻出乎人意料之外,子彈在飛行一段距離之後速度就慢下來,然後開始圍繞地球做圓周運動了,而且不繞則以,一繞就是15年,直到現在那顆被射出來的子彈依然在圍繞地球在做圓周運動,很多人會感到奇怪,為什么子彈既沒有飛到宇宙深空,又沒有落到地面,而是一直圍繞地球做圓周運動呢?

在太空中開槍,子彈會圍繞地球做圓周運

這就涉及到以萬有引力定律為基礎計算出來的宇宙速度了,目前在航天領域總結出多個宇宙速度,分別是第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度……第六宇宙速度、第七宇宙速度,不過人類最常用的就是第一、二、三宇宙速度,其他宇宙速度現在幾乎用不到,因此在這裡重點講一下這三個宇宙速度,第一宇宙速度也被稱作環繞速度,簡單點說就是飛行器要想圍繞地球做圓周運動,不被地球引力吸引落到地面,必須達到這個速度,這個速度為7.9公裡/秒,像地球上空的衛星、空間站、宇宙飛船、太空梭、太空垃圾它們的速度都達到了第一宇宙速度,也就是7.9公裡/秒,因此它們才能一直圍繞地球做圓周運動。

在太空中開槍,子彈會圍繞地球做圓周運

第二宇宙速度是擺脫地球引力束縛所需要的最低速度,它的速度為11.2公裡/秒,如果飛行器達到這個速度,就不用圍繞地球做圓周運動了,可以擺脫地球引力飛到太陽系其他星球,比如好奇號火星探測器、卡西尼號土星探測器、朱諾號木星探測器等都達到第二宇宙速度,因此它們都擺脫地球引力飛到其他星球;第三宇宙速度則是擺脫太陽引力束縛所需要的最低速度,它的速度為16.7公裡/秒,像著名的深空探測器旅行者1號、2號,先驅者10號、11號,帕克號太陽探測器都達到第三宇宙速度,除了第三宇宙速度,還有第四宇宙速度(擺脫銀河系引力束縛飛出銀河系的最低速度,約為110-120km/s)、第五宇宙速度(飛出本星系團所需要的最小速度,估計為220km/s)、第六宇宙速度(估計為光速)、第七宇宙速度(瞬移速度)。

第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙

明白了這些宇宙速度,我們就弄清了朝太空射出的子彈,為什麼沒有飛到宇宙中,而是圍繞地球做圓周運動了,因為子彈被射出的瞬間速度是大於第一宇宙速度(7.9公裡/秒)而小於第二宇宙速度(11.2公裡/秒),飛行一段時間之後,子彈會被地球引力束縛住,子彈的速度慢慢降下來,最終降到第一宇宙速度,再加上子彈的慣性,因此它能夠圍繞地球做圓周運動,就像現在的衛星、國際空間站一樣,它們從地球飛到太空不斷加速,最終加速到第一宇宙速度(7.9公裡/秒),才實現圍繞地球飛行,而子彈已經被帶到太空了,它射出瞬間肯定大於第一宇宙速度(7.9公裡/秒),不像衛星、空間站需要不斷加速才能達到,由於子彈最終速度達到第一宇宙速度(7.9公裡/秒),所以它可以一直繞著地球做圓周運動。

國際空間站達到第一宇宙速度,所以能圍繞地球做圓周運動不掉下來

那子彈有沒有可能掉下來呢?理論上是有可能的,不過這個時間需要幾千年、幾萬年甚至幾十萬了。

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