比第二宇宙速度慢能跑出地球引力范围吗？

本文来自微信公众号： 孔夫子百科 ，作者：newtonian6

说起宇宙速度，大多数人都能津津乐道：那不是中学物理的入门知识么，第一宇宙速度就是能绕着地球旋转不掉下来的速度7.9km/s；第二宇宙速度就是能摆脱地球引力跑到宇宙空间的速度11.2km/s；第三宇宙速度就是能飞出太阳系的速度16.7km/s，事情就是这么个事情，情况就是这么个情况。

当初书本里这个定义给我的印象就是一定要达到这些速度才能满足环绕和逃离的条件，一直到了大学毕业那一年，导师带着我第一次坐飞机（真的，我大学毕业了才第一次坐飞机）从北京飞到昆明做毕业设计的项目。在飞机上我看着外面的白云突然就在想不是说最低要第一宇宙速度才能绕地球运动吗，那可是每秒7.9千米，飞机飞得慢多了，每秒不过两三百米，不也正绕着地球在转吗？这个看起来有点蠢的问题我竟然从北京想到昆明，不过总算还是想明白了。

要解释这个问题还需要从第一宇宙速度的来历说起。牛逼顿当年曾经用一个思想实验解释天体的运行轨道：假设我们在一个山上往正前方扔石头（牛逼顿说的是炮弹），石头一边往前运动，一边往地心掉落，最后形成的轨迹就是一条抛物线。当石头的速度足够快时，不考虑空气阻力，石头往地心掉落的高度被地球的圆弧表面所抵消，最后就形成了一个绕着地球旋转的圆周运动轨迹。

这个巧妙的思想实验其实隐含了一个条件，那就是石头一旦出手之后就处于自由运动的状态，除了引力之外不再受到任何外力的作用。很显然，飞机不满足这个条件，除了地球的引力，飞机还会受到发动机的推力，空气的阻力以及空气对机翼产生的升力。正是在升力的托举下飞机才能够以远低于7.9km/s的速度绕着地球表面飞行。

同样的，当初我对第二和第三宇宙速度也会存在同样的不完整的理解，认为航天器一定要达到这个速度才能够跑出地球或者太阳的引力范围。其实这同样隐含了一个前提条件，那就是航天器从地球附近出发后就只受到引力作用。如果有一个发动机一直推着火箭朝着地心反方向前进，哪怕速度一直跟走路一样快，只要时间足够长，火箭就会跑到距离地球足够远的地方，这时候火箭的动能就会大于火箭在无穷远处的势能，即使关闭发动机火箭也能一直往前飞入遥远的宇宙空间。

发射航天器时当然不可能有个火箭一直把航天器向上推，因此就需要在一定的时间内将火箭尽快加速到与目标对应的宇宙速度，这时即使关闭火箭发动机，航天器在引力的作用下也能按照预定的轨道绕地球运动或者飞入深空而不再掉回地球。

对于那些要进行深空探测的航天器，例如旅行者1号和2号、卡西尼号、新视野号等等，需要达到第二甚至第三宇宙速度。如果用火箭来加速到这么高的速度会消耗大量的燃料，那就需要巨大的火箭甚至变得无法实现。对于这种情况往往会利用火箭将航天器先以一个较低的速度发射出去，然后再利用大行星（干这事木星特别好用）的引力弹弓效应对航天器进行加速从而获得航天器所需要的高速。