人們能用一無限長的梯子在沒達到第一宇宙速度情況下離開地球嗎?

2020-12-20 宇宙新思維

這是一個網上提問,這個問題提得好,儘管「無限長」的梯子是不存在的,但題目的意思應該是「足夠長」,那我們就用「足夠長」來描述這樣一個梯子。當然這個梯子的剛性和韌性還要足夠好,最起碼幾百萬公裡長也不會折斷彎曲。

既然是假設,那麼梯子的材料、製作工藝和怎樣固定,以及地球是否能提供這麼多材料的問題,我們統統不考慮,只是來回答一下這個思想實驗。

在回答這個問題前,我們先來普及一下第一宇宙速度的有關知識。

我們知道,地球表面的物體都受到了地球的引力(重力),並被地球的引力牢牢地束縛在地球表面。人們想離開地球表面需要克服這個引力,常規思維,想要克服這個引力有兩種方法:

第一種是持續不斷對物體或人提供向上的動力,直至完全離開地球引力圈。比如說火箭在上升階段就是這樣。還有,人攀爬梯子也是持續對人提供向上的動力,這個動力當然是來自人自身,人消耗自身的化學能,藉助梯子的反作用力不斷向上升。

所以說題目所說的方法就屬於這一種,是否可行,我們在後面綜合分析。

第二種是把物體所受重力用於持續去改變物體的運動方向,比如說讓物體的運動方向總是和所受重力的方向不在一個方向,兩個方向總是有一個夾角,這樣物體就不會順著重力方向落向地面,物體這樣的運動就是圓周運動,這時的重力就是維持圓周運動的向心力。但實現圓周運動的前提是這個物體必須有足夠的運動初速度。這個初速度就是人們常說的第一宇宙速度。

第一宇宙速度環繞地球

所謂第一宇宙速度是指在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度,又叫環繞速度。這個速度V的大小可以簡單地通過物體所受重力與物體做圓周運動的向心力相等的公式來求出,即mV^2/r=GMm/r^2≈mg,得V1=√GM/r≈√gr,其中m為物體的質量M為地球質量,G為引力常數,g為重力加速度,r為運動半徑,這裡為地球半徑,代入具體數值,求得V1=7.9千米/秒。也就是說,只要物體達到7.9千米/秒以上的速度就可以離開地面(注意只是離地環繞,並不是脫離逃逸,不過這應該就是題目所說「離開地球」的意思)。著重說明的是:第一宇宙速度只是指在地面附近的環繞(離開地面)速度,並不是別的高度的環繞速度。實際上這個環繞地球的速度是隨著距地高度的增大而減小。比如說距地心兩倍地球半徑(6371x2千米)處的環繞速度就變為5.94千米/秒,距地心10倍地球半徑處的速度就變為2.5千米/秒……。

知道了上面這些知識,我們完全可以把上面所說的兩種方法結合起來考慮這個問題,下面我們就來回答一下吧。

既然梯子是搭在地球上,這個梯子當然也是地球的一部分。上面說過,這個梯子的剛性很好,數百萬公裡也不變形,因此梯子會跟著地球一起自轉。

我們知道,梯子的角速度雖然和地球相同,但梯子的線速度和地球是不同的,離地越高的部分,其線速度越大。因此我們可以設想,如果在梯子某一高度的線速度恰好等於這一高度環繞地球所需速度,那麼人從梯子的這個高度離開梯子,就會成為環繞地球的一個「人造衛星」,人就會在沒有達到第一宇宙速度的情況下離開地球,不再墜向地球了。

實踐證明,還真有這樣一個軌道高度,那就是人們常說的「地球靜止軌道」(是一種軌道平面與赤道平面重合的地球同步軌道,為了便於解釋,我們假定梯子就是架設在赤道上空),軌道高度約36000千米。如果梯子高36000千米,那麼人攀爬到此高度(只要你有這個膽量和體力,食物帶的足夠多)就可以離開地球了,這時人相對地球質心的速度是3.1千米/秒,低於7.9千米/秒的第一宇宙速度。

這裡還要特別注意:儘管在前提中對梯子性能做了假設,但我還是要提醒一下,梯子的高度如果超過36000千米,超過部分的線速度會大於該位置的環繞速度,梯子的超出部分會產生奔向大橢圓軌道的離心趨勢,導致梯毀人亡。或者毀滅地球,因為梯子太結實了。

好了,如果達到環繞地球就算離開地球的話,通過我們的綜合分析,答案是肯定的,那就是:如果有一個無限長(36000米長就夠了)的梯子,那麼人們可以在沒有達到第一宇宙速度的情況下離開地球。

引申一下:如果認為環繞地球不算離開地球,只有出了地球的引力圈或達到逃逸速度脫離地球才算離開地球的答案

1,出了地球引力圈才算離開地球這種情況下的答案

前面咱們說過離開地球需要克服引力,其中的第一種方法是:要持續不斷對物體提供向上的動力,直到完全離開地球的引力圈。這個攀爬梯子就屬於這一種方法,

但攀爬梯子能夠離開地球的引力圈嗎?下面我們分析一下。

理論上說,引力的範圍是無限的,如果宇宙是有限的,引力範圍最起碼瀰漫至整個宇宙。但在實踐中,人們往往把天體的「希爾球」範圍當作是該天體的引力範圍,出了這個範圍,就算出了該天體的引力圈而徹底離開該天體了。所謂的希爾球,粗略來說,是環繞在天體(比如行星地球)周圍的空間區域,那裡被它吸引的天體(比如月球和人造衛星等)受到它的控制,而不是被它繞行的較大天體(比如恆星太陽)所控制。

根據希爾球半徑r的公式:r≈a√m/3M,其中a為地球軌道長半徑,m為地球質量,M為太陽質量,計算出地球的希爾球半徑約為150萬千米。也就是說,只要把梯子延伸到150萬千米之外高處,人就算出了地球的引力圈,就算離開地球了,不過人在該處的線速度要遠遠大於第一宇宙速度了。另外,前面說過,這梯子最好不要高於36000千米,否則地球的引力將束縛不住梯子的超高線速度帶來的離心趨勢,導致梯毀人亡或損毀地球。因此這種情況下的答案是:用梯子是無法離開地球的引力圈的,即使梯子不出問題,人們在那個高度的速度也會遠遠超過第一宇宙速度,答案是否定的。

2,達到逃逸速度脫離地球這種情況下的答案

逃逸脫離地球是與第二宇宙速度有關的,第二宇宙速度又叫逃逸速度,是從地球出發擺脫地球引力的最小速度,公式為V2=√2GM/r≈√2gr,大小為11.2千米/秒。

第二宇宙速度

同理,距地越高的地方逃逸速度越小,咱們可以算一下梯子在多高處的線速度與該處的逃逸速度相等?限於篇幅,直接給結果,大約在5.3萬多千米處,速度為3.87千米/秒。也就是說,人攀爬梯子到5.3萬公裡處時,這人的速度恰好是該處的逃逸速度,剛好可以脫離地球,速度也低於7.9千米/秒的第一宇宙速度,答案是肯定的。不過,要再次提醒,梯子高度超過3.6萬千米有風險,梯子如果無比結實,那地球就要遭殃了,最終梯子也架不起來,人也就無法像題目所說的離開地球。

小結:

1,如果達到環繞地球就算離開地球的話,答案是肯定的,人在低於第一宇宙速度的情況下,通過梯子可以離開地球。

2,如果認為只有出了地球的引力圈才算離開地球的話,答案是否定的,用梯子是無法離開地球的引力圈的,人們在那個高度的速度也會遠遠超過第一宇宙速度。

3,如果認為只有達到逃逸速度脫離地球才算離開地球的話,答案是肯定的,人攀爬梯子到5.3萬公裡處時,這人的速度恰好是該處的逃逸速度,剛好可以脫離地球,速度也低於7.9千米/秒的第一宇宙速度。

相關焦點

  • 進入太空必須要達到第一宇宙速度嗎?用梯子爬上去行不行?行
    任何有質量的物體都具有引力,巨大的宇宙天體自然擁有著強大的引力,而要擺脫一個引力場的束縛,就必須要達到一定的初始速度。比如,要將人造衛星送入地球軌道,那麼就必須要達到第一宇宙速度,也就是每秒7.9千米。
  • 如果有個很長的梯子,可以慢慢爬出地球嗎?科學家:那叫太空電梯
    如果有一個無限長的梯子。那麼人們可以在沒有達到第一宇宙速度的情況下離開地球嗎?這個問題翻譯過來就是如果給我們一個以第一宇宙的初速度沿著地球切線的方向就可以飛出地球,在不受除了引力之外的力的作用,我們就可以永遠不用回到地球,那麼如果我們沒有這個初速度是否能飛出地球呢?答案是:當然可以,太空電梯就是給地球接一個梯子,讓我們可以坐著電梯走出地球。
  • 假如有一根無限長的梯子,我們能否利用這根梯子離開地球?
    最近有網友腦洞大開,提出了"如果有一支無限長的梯子,我們能不能利用這根梯子離開地球"這樣的問題,今天蘋果君就帶大家來看一看,我們能不能實現這個「宏偉」的目標。梯子製造和搭建過程中會遇到的困難有哪些?如果我們不去考慮如何製造和組裝這個無限長的梯子需要的時間和技術問題、以及何來如此堅硬的材料使梯子不至於垮塌或者被拉斷。那也得考慮考慮如何能將梯子搭起來吧!太空中找不到支點,梯子總不能懸在太空中吧!找支點還得考慮一個問題:地球可是在自轉和公轉的呀!
  • 火箭只有達到第一宇宙速度才能出地球大氣層嗎?能否慢慢飛出去?
    近日,我國成功發射了「天問一號」火星探測器,美國和阿聯也相繼發射了火星探測器,對於地外探測的話題也重新成為人們津津樂道的焦點。大家在看到這些火箭發射時噴出的雄雄火焰,在感到無比的震撼之外,有時不免心生一個問題,那就是火箭通過燃料加速,達到第一宇宙速度後是否才可以脫離地球大氣層?
  • 第一宇宙速度7.9千米/秒是怎麼算出來的?
    關於7.9千米每秒有一個如雷貫耳的名字:第一宇宙速度,但更準確的說,7.9千米/秒的原意是在地表環繞不落下的速度,而近地軌道上的速度則要稍稍小一些,但由於相差不大,大家就將這個7.9千米/秒直接作為第一宇宙速度了!如何計算第一宇宙速度?
  • 光速離開地球一分鐘再返回,會如何?光:地球已沒,宇宙已死
    一分鐘後回來,地球早已不在了,宇宙也演化終點,或許連原子結構都會被暗能量瓦解,一片死寂,但前提是「上帝」能從其他「平行宇宙」給飛船調來充足的能量,可以短時間內讓飛船無限接近於光速,讓時間無限接近於靜止。這個能量會超過我們這個宇宙能量的總和,但即使是這樣飛船達到光速是不可能的,因為只有信息與能量才能達到光速。
  • 第四宇宙速度有多快?
    引力的概念對人類認知宇宙起到了重大的影響,並且人類也開始一步步的探索宇宙,在發射探測器離開宇宙的過程中,我們發現了「宇宙速度」。通常情況下,我們談論的宇宙是「三大宇宙速度」,實際上還存在著「第四宇宙速度」,為什麼很少有地方提及「第四宇宙速度」呢?
  • 第一、二、三宇宙速度經常被提起,為什麼很少提起第四宇宙速度?
    第四宇宙速度其實關於宇宙速度的概念並不難理解,而且我們比較熟悉的是宇宙第一速度、宇宙第二速度、宇宙第三速度。第一宇宙速度那如果這個時候,我們讓炮彈打出來的速度達到7.9km/s,那炮彈就可以繞著地球轉圈了。為什麼會這樣呢?
  • 宇宙速度的六種劃分,人類已經突破第三宇宙速度,你知道多少呢
    對於速度,我們一直都知道光速是宇宙物質上最快的速度,只要能突破光速,基本上可以說就能夠在宇宙中橫著走了。目前人類科技水平可以達到的速度離光速當然是很遙遠了,能夠突破超音速已經是非常了不起的了。科學家對於宇宙速度劃分了六個等級,那麼人類目前處在哪個速度等級呢?
  • 宇宙第一速度是多少? 是時候為你科普關於第一宇宙速度的問題了!
    宇宙第一速度是多少? 是時候為你科普關於第一宇宙速度的問題了!時間:2020-07-07 09:41   來源:    責任編輯:沫朵 川北在線核心提示:原標題:宇宙第一速度是多少? 是時候為你科普關於第一宇宙速度的問題了!
  • 地球逃出太陽系需要多大速度,與三個宇宙速度什麼關係?
    根據劉慈欣小說改編的科幻電影《流浪地球》,為了躲避太陽紅巨星災難,加速脫離軌道,向深空逃亡。那麼這個速度要多大才能夠脫離太陽引力呢?有些朋友對這個問題和迷惑,認為不是有三個宇宙速度嗎?逃逸速度16.7km/s不就是脫離太陽引力的速度嗎?
  • 第一至第六宇宙速度,作為一個成年人應該知道了!
    第一至第六宇宙速度,作為一個成年人應該知道了!上初中物理課的時候我們都學過第一和第二宇宙速度,那麼作為一個成人想不想知道第三、四、五、六宇宙速度呢?讓我們一起去了解一下吧!第一宇宙速度是7.91千米每秒,圍繞著地球轉圈圈,如果把你放到一枚火箭裡,然後點火加大動力,讓火箭達到第一速度也就是7.91千米每秒,此時地球引力對你的影響已經越來越弱了,即使火箭的屁股後面不噴火你也不會掉下去,而是圍繞地球轉圈圈,這個環繞地球做圓周飛行的最低速度便是第一宇宙速度。
  • 什麼叫宇宙速度,飛出宇宙要幾級宇宙速度
    什麼是宇宙速度?就是人造天體進入宇宙軌道所必須具有的速度。第一宇宙速度:7.91千米/秒時,圍繞著地球轉圈。如果把你放到一枚超級無敵的火箭裡,然後發射出去加大油門讓火箭達到了第一宇宙速度,此時地球引力對你的影響以及越來越弱了,即使火箭的屁股後面不噴火,你也不會掉下去,而是圍繞地球轉圈圈,這個環繞地球作圓周飛行的最低速度便是第一宇宙速度。
  • 各大星系都在遠離地球,宇宙的中心在哪裡?地球是宇宙的中心嗎
    我們總能從網上看到很多美麗的星雲星團圖片,可是你知道嗎?這些美麗的星雲和星團都距離我們十分遙遠。雖然這些美麗的星系星雲和我們處於同一個宇宙,但是我們永遠也不會接觸到它們,因為它們正在加速遠離我們。當我們換一個角度來看星系正在遠離地球這件事,是不是可以得出地球就是宇宙的中心這一結論呢?因為地球是宇宙的中心,所以無論從地球的什麼方向去觀測,所有的星系都在遠離地球而去。
  • 用手電照天空1分鐘後關閉,光去了哪裡?能到宇宙邊緣嗎?
    人們在對光本質了解的同時,也對傳播的速度進行了研究,同樣的幾千年來人們也一直認為光速是無限的。不過到了17世紀伽利略認為光速是有限的,並且嘗試通過兩個相隔一千米的山和兩個燈籠來測量光速。一千米這樣的距離在光面前不值一提,所以伽利略的實驗的失敗是註定的,他得出來的結論是,光速非常快。
  • 宇宙到底長什麼樣?科學家提出了三種可能的猜想,你認可哪一個?
    而我們日常所見的固態物質,我們都能夠直觀看到它們的形狀,知道一塊石頭長什麼樣。在人類沒有地球之前,我們最想知道的就是地球長什麼樣?古時候的人們對地球的形狀和長相,都有過各種猜測,不管人們如何猜,真實的地球樣子跟想像的都會有很大的差別。
  • 7月8日螞蟻莊園今日答案 第一宇宙速度是多少
    2020年7月8日,支付寶的螞蟻莊園小課堂的問題更新了,今天是關於地球宇宙相關的問題,問題是「第一宇宙速度是多少?」這個感興趣的人應該很容易就回答出來,下面就來為大家科普一下第一宇宙速度是多少。
  • 宇宙速度到底有多快?科學家為何說人類目前飛不出銀河系
    人們通常把太空飛行器到達環繞地球、脫離地球和飛出太陽系所需要的最小發射速度,分別稱為第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度(太陽的逃逸速度)。實際上地球表面存在厚重的大氣層,太空飛行器不可能貼近地球表面作圓周運動,必需要在1500公裡的高度上,才能環繞地球作圓周運動。在此環繞運動的速度為7.9km/s,即為第一宇宙速度。而在軍事應用中,在地面發射炮彈,炮彈發射速度越高飛行距離就越遠,而當炮彈的速度達到7.9km/s,炮彈就不會再落回地面上,而是繞地球作圓周飛行。
  • 第六宇宙速度其實是光速,科學家們爭論不止
    隨著科技的進步,人類逐漸走出地球走向太空。通過對中學物理的學習,我們知道地球是有重力存在的,想要離開地球走向太空,首先要克服地球重力的影響。而想要克服地球重力,需要達到一定的速度。當一個物體從地球出發,如果速度達到7.9km/s,就可以在裡地球150km的高空中繞地球做勻速圓周運動,這就是人們所熟知的第一宇宙速度,這也是太空飛行器最小發射速度以及太空飛行器最大運行速度。
  • 宇宙中就只有地球會下雪嗎
    雪,對於北方地區的人們來說早已見慣,再普通不過,但身處在南方的你,肯定還在期待著和它見面的那一刻。我們都知道,這是由於南北間太陽直射點和西風帶天氣系統差異而造成的氣候特點。雪的形成雪,由大量白色不透明的冰晶和其聚合物組成的降水形式。從物理的角度上看,就是由於雲層中溫度過低,大氣中的水蒸氣直接凝華或水滴直接凝固而成。它是地球上的氣候現象,那麼宇宙中的其他星球也會下雪嗎?