想逃離地球，你需要做啥準備？

2020-09-03 5號書館

重力，或者說，地心引力對於地球上的一切物體而言，是一種束縛作用力，阻止了我們離開地面。人類的歷史就是一段想要成功逃脫地心引力的歷史，自古以來，人類就想要在天空中留下痕跡（這個目標在1903年被萊特兄弟實現了），甚至是逃離地球，到外太空去探索別的星球。1902年上映的法國電影《月球旅行記》中，人類乘坐炮彈到月球探險。電影海報是一個人臉，其右眼變成了一個炮彈，這個設計隨後便成為經典之作。在那時，這部電影還屬於科幻作品。然而，幾十年後，在1969年，尼爾·奧爾登·阿姆斯特朗乘坐的阿波羅11號在月球表面降落，阿姆斯特朗也踏出了「我個人的一小步，卻是全人類的一大步」。而幾年後，許多宇宙飛船，如旅行者探測器，終於脫離太陽系的束縛奔向了外太空，同時也有飛船在火星上降落，挖掘火星的秘密。


物體由於地球的吸引而受到的力叫重力，重力讓地球上的一切都離不開 地面。有了重力，才會有大氣層包裹在地表之上，而不是讓氣體流散到太空中。同樣地，地心引力讓月球能夠繞著地球旋轉。但是，要如何才能做到逃離地球呢？怎樣才能擺脫地心引力的束縛呢？


想要永遠擺脫地球引力至少需要達到什麼速度呢？這個速度也被稱為「第二宇宙速度」，為11.2千米/秒，也就是40320千米/小時。如果想要擺脫月球的引力、逃離月球，只需達到2.38千米/秒的速度就行了，因為月球的質量比地球小。當然了，在地球上還要考慮逃離地球時的大氣阻力。

讓我們再來仔細研究一下這個問題。一個物體的自由落體速度是多少？這個問題的答案似乎很明確：一個物體的掉落速度會在重力加速度（9.81米/平方秒）的作用下持續增長，這個是西班牙人在小學時就學過的知識。可是，除此之外，我們還是應該考慮到大氣的摩擦力對降落速度的影響，不能因為我們平時看不見、摸不著大氣就忽略它的作用。物體的表面積越大，大氣對它產生的摩擦力也就越大，可以聯想一下為何降落傘的表面積這麼大。這個摩擦力會隨著物體降落速度的增大而增大，但是這個速度增加的過程並不是無止境的，而是會在物體達到一個終端速度時停止增長，此時降落中的物體會進入勻速運動的平衡狀態。舉個例子，如果降落的時間足夠長，一個跳傘的人在打開降落傘之前，就會達到他的終端速度，並且會一直以這個速度降落。這是因為大氣的摩擦力會和這個人自身的重力相互抵消，而由於大氣摩擦力是隨著運動速度增加而增加的，所以產生這個抵消的效果需要一定的時間。這個跳傘運動員的終端速度可以達到198千米/小時。


科學逸事：流星雨（傳說中可以實現願望）就是很多隕石碎片以高速進入地球大氣層（一般來說，是在地表80千米到110千米的高空中）後、發生自燃並留下運行痕跡而形成的現象。流星雨現象在我們人類眼中彌足珍貴，譬如每年夏天的「英仙流星群」—也被稱為「八月流星群」，因為一般會在8月10號左右出現。流星雨這種短暫的焰火現象看似是大氣摩擦力導致的，但事實上是由於高速衝擊過程中產生了一種巨大的壓力（高速運動中的物體周圍的大氣會被壓縮，氣壓變大，因而物體本身的溫度升高，導致流星自燃）。只有那些體積足夠大、不會在降落過程中被分解的隕石才會降落到地面，而其他的，就成了我們口中的小流星雨。

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