第一,二,三宇宙速度及其推到过程!

Question

讨教第一,二,三宇宙速度及其推到过程!

Answer 1

第一宇宙速度是7.8千米/秒,这样可以绕轨道飞行,第二宇宙速度是11.2千米/秒,摆脱地球引力的束缚。在摆脱地球束缚的过程中，在 地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力 作用下绕太阳运行。第三宇宙速度是16.7千米/秒,这样可以飞出太阳系
第一宇宙速度推到过程
G=6.067259*10^-11 N*m^2/kg^2 (引力常量）
M=5.89*10^24(地球质量）
R=6.37*10^6(地球半径）
v=（GM/R)^1/2=7.9 km/s (第一宇宙速度)

第二宇宙速度是以初动能等于飞船飞至无穷远处正好克服万有引力所做的负功为前提推导得出的。如果你学过上述公式和简单的微积分就可以自己推导了。
mv*v/2-GMm/R=0,

所谓第三宇宙速度，就是从地球表面发射，并能够挣脱太阳引力的束缚，飞出太阳系时必须具有的速度。

我们计算一下，如果不考虑地球引力，从地球轨道的地方出发，要想飞出太阳系，需要具有多大的速度呢？假这个速度是V，那么可证明，它是地球公转速度的根号2倍（这道理就跟第二宇宙速度是第一宇宙速度的根号2倍一样），地球的公转速度是多少？大约为30千米/秒，那么可以算出V大约为42千米/秒。

如果我们顺着地球公转的方向发射，由于本身就具有30千米/秒的速度，那么只需要42－30＝12千米/秒的速度就可以了。

但是，还要考虑地球的引力，由于要求挣脱地球引力以后，还要具有12千米/秒的速度，那么总共需要多大的速度呢？设这个速度（就是第三宇宙速度）为v3,第二宇宙速度那么v2，那么：
1/2mv3^2－1/2mv2^2=1/2m(12)^2

解得：v3约为16.5千米/秒，考虑到木星等大行星的引力作用，实际上的第三宇宙速度约为16.7千米/秒。

Answer 2

第一宇宙速度推导：在月球表面，物体受到的重力，就等于月球作用在物体上的万有引力
F = G*M*m / r^2 = m*g
约掉m，g = G*M / r^2，M取月球质量，r取月球半径，在表面上嘛（注意单位，要用米而不是千米，下同），
g = G*月球质量 / 月球半径^2 = 1.626 m/s^2，果然是9.8的六分之一。

回到第一句话“物体的向心加速度，就等于月球的重力加速度g”，就是
v^2 / r = g
所以，v = 根号[g*月球半径] = 1.68 km/s

最后，月球的第一宇宙速度 = 1.68 km/s
第二宇宙速度的推导

第二宇宙速度是物体挣脱地球引力的束缚而成为绕太阳运行的人造行星，或飞到其他行星上去的飞船所具有的最小速度，也叫脱离速度．

设物体的质量为m，由地面克服地球引力飞至无穷远处，需做多少功呢？

如图所示，地面a处离地心为R0，即Oa＝R0，Ob＝R1，Oc＝R2…O∞＝R∞

物体在a处受引力F0＝G ；b处受引力F1＝G ；…

物体由a移到b，需克服引力做功W1＝ 01(ab)．由于F0到F1中力是变化的，为此采取近似方法：

01＝G
这样由于 ，故F0＞ 01＞F1

所以W1＝G
即W1＝GMm( )(物体由a→b)

同理 W2＝GMm( )(物体由b→c)

W3＝GMm( )(物体由c→d)

…

W∞＝GMm( )

物体由a移到无限远处时，共需做功

W＝W1＋W2＋…＝GMm( )＝GMm/R0．式中 ＝0

故物体在地面上需要具有动能 mv22＝GMm/R0

所以，第二宇宙速度v2＝ ＝11.2 km/s(式中G为引力常量，M为地球的质量，R0为地球半径)

第三宇宙速度的推导

物体要进一步挣脱太阳的引力束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去所必须具有的最小速度，叫第三宇宙速度，也叫逃逸速度．

根据推导第二宇宙速度的同样道理可知，物体为了挣脱太阳的引力飞出太阳系，必须具有速度v′＝ ，式中M日＝2×1030 kg，R日地＝1.49×1011 m

所以v′＝42.2 km/s

物体是由地面出发的，地球围绕太阳公转的线速度v线＝29.8 km/s，如果物体顺着地球运动的轨道切向飞出的话，便可借助于地球的公转线速度，因而只需Δv＝v′－v线＝42.2-29.8＝12.4 km/s就行了．但是，物体要飞出太阳系，要克服太阳的引力，首先要挣脱地球引力的束缚才行．故物体在地面上应该具有的动能为 mv32＝ mv22＋ m(Δv)2

故v3＝ ＝ km/s＝16.7 km/s