萬有引力作用理論上無限遠,但地球等天體引力有一個影響範圍嗎?

2020-12-04 時空通訊

有位同學提出,為什麼地球引力範圍只有幾百公裡呢?雖然這個問題有點弱智和好笑,但引力範圍這個尺度的確不好把我,尤其在天體引力相互影響的太空中,是一個複雜的機制,我們一起來討論一下。

理論上講,萬有引力是長程力,這個長程有多長呢?就是無限遠。地球引力也是一樣,理論上到了天邊,也就是宇宙邊緣,地球引力還存在,只不過很難檢測出來而已。

不知道這位同學從哪裡學到地球引力範圍只有幾百公裡這樣的知識,如果是老師教的,就是你的悲哀,一生遇到這樣一個老師,貽害不淺;如果是自己自作聰明,說明你沒好好學習淺薄無知,使你的老師蒙羞;如果是看到網絡或者道聽途說,就奉勸你提高一點辨識能力,今後少聽信一些流言謠言。

我們知道,在地球上有三個宇宙速度,第一宇宙速度為每秒7.9公裡,發射的太空飛行器達到了這個速度,就能夠圍繞著地球軌道飛行,既掉不下來,也逃脫不了地球的引力,這個速度叫環繞速度。

國際空間站、人造衛星都在這個軌道上運行,距離地面最高的是地球同步軌道衛星,達到3.6萬公裡,完全受著地球引力控制。

第二宇宙速度為每秒11.2公裡,達到這個速度的太空飛行器,就能夠脫離地球引力,飛往其他行星;第三宇宙速度為每秒16.7公裡,太空飛行器達到這個速度,就可以脫離太陽引力,飛往太陽系外,如旅行者1號、2號等。

地球有一顆天然衛星,就是自古以來一直伴隨著我們的月亮。月亮為什麼不離不棄地圍繞著地球公轉呢?就是因為地球引力的牽制。

月亮與地球平均距離為38.4萬公裡,卻被地球引力牢牢地拴著。

月亮體積只有地球的四十九分之一,質量只有地球的八十一分之一,雖然比地球體積小很多,但對地球引力也不容低估。最直觀的影響就是漲潮落潮,大海的漲潮落潮主要是受到月球的影響(太陽也有一些影響,但比月球小很多),所以每當月亮當空,地球正對著月亮地地方,潮水就是最大的地方。

由此可以看出,引力是兩個天體相互作用的,從而驗證了萬有引力的定理:引力大小與兩個天體質量乘積成正比,與距離平方成反比。

計算兩個質點之間萬有引力的公式為:F=GMm/r^2

其中G為萬有引力常量(G=6.67×10-11N·m^2/kg^2),M、m為兩個引力相互作用天體的質量,r為兩個天體質點之間的距離。

雖然萬有引力的作用從理論上來說可以達到無限遠,但距離遠了就影響很微弱了,可以忽略不計了。

而且在宇宙中有無數的天體,這些天體的引力影響作用相互幹擾,因此一個天體的引力比較明顯的影響範圍有一個尺度,這就是希爾球半徑。

比如我們太陽系,在大約1光年半徑範圍內,都是太陽引力的勢力範圍。

但每個行星都有其引力範圍,在距離行星較近的地方,天然衛星或者人造飛行器主要就是受到行星的影響,而不是太陽。

比如在地球附近,人造衛星和月亮都受到地球引力影響,圍繞著地球旋轉,而不是圍繞著太陽旋轉;雖然月球本身也是受到地球影響,圍繞著地球旋轉,但人造天體到了月球附近,就主要受到月球引力影響,圍繞著月球軌道旋轉。

這樣每個天體都有一個自己的勢力範圍,在一個大勢力範圍力還會有小的勢力範圍,有的「官」雖大,權勢影響不小,但在一個小勢力範圍,縣官不如現管,還得停小「官」的。

那麼各種天體地引力影響範圍到底有多大呢?這就是它們的希爾球半徑,計算這個勢力範圍(希爾球半徑)的公式為:

其中r為希爾球半徑近似值,m為較小天體質量,M為被環繞的較大天體質量,a為軌道半長軸。

根據這個公式計算,地球的希爾球半徑為150萬公裡,也就是在圍繞著地球150萬公裡半徑,是地球引力的勢力範圍,在這個範圍內,地球的引力是比較穩定的。

到了150萬公裡是地球與太陽引力的平衡點,叫拉格朗日點,在那個地方,地球與太陽引力相當,飛行器受到的引力影響很微小,只要消耗很少的能量就能夠長期駐留。

在太陽系,月球的希爾球半徑為66100公裡,木星的希爾球半徑為5300萬公裡,海王星的希爾球半徑為1.16億公裡。

海王星比木星質量小很多,但希爾球半徑更大,而且是太陽系行星中希爾球半徑最大的,這是因為其距離太陽最遠,太陽影響力最小的緣故。

就是這樣,歡迎討論。

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