卫星为什么不会因为地球的引力吸引而落入地球呢?
滴滴
11-23
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传说牛顿是受苹果落地砸到头上的影响,才提出宇宙中任何两个物体之间都存在着吸引力,这个力和两者质量的乘积成正比,和之间距离成反比,这也就是万有引力定律。同时牛顿发现,他的万有引力定律,不光能解释苹果的落地,还可以用来解释行星绕太阳的运动情况。

当然,现在我们也可以用中学物理学到的万有引力,来解释卫星绕地球的运动情况。绕地球运行的物体都会受到万有引力吸引,对于卫星来讲,它受到地球的万有引力充当了其环绕地球运动向心力的效果,卫星就可以做类似匀速圆周运动。

人造卫星在地面上空做轨道运动,简单来算的话,联立向心力和万有引力公式,就得到卫星绕地球圆轨道运动的速率。对于低轨道的卫星和空间站等航天器来讲,由于还有稀薄大气的阻力,如果不施加动力修正轨道的话,最终还是会跌向地球的。

但对于高轨道的卫星,则不受阻力影响。例如我国的第一颗人造卫星,东方红一号,发射几十年了,至今还运行在近地点430千米,远地点2300千米的轨道上。

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<2>理想状态的答案

主要是因为地球的吸引力刚好用作卫星绕地球作圆周运动的向心力了,没有多余的力吸引卫星下落。当然前提就是卫星有这个圆周运动的初速度。这个初速度有一个最小值,为7.9公里/秒,就是人们常说的第一宇宙速度。

只要达到了这个速度以上,卫星就不会因地球的吸引力而落于地球,在绕转地球的过程中不需要任何燃料能量。这个初速度主要就是运载火箭发射卫星时提供。这就是这个问题的答案,当然这只是在理想状态下的答案。理想状态指的是卫星完全处在真空中,并且不受别的天体的扰动。

卫星实际下落情况的影响因素及应对措施

一,主要影响因素

实际上理想状态是达不到的,理论上卫星因大气阻力最终都会坠落地球。就说地球大气层厚度有1000多公里,探空火箭在3000公里高空仍发现有稀薄大气,有人估计大气上层能延伸到6400公里。当然大气主要集中在100公里以下,其中75%又集中在了离地面10公里以内的对流层。

地球卫星一般在距地二百公里到数万公里。所以越是近地轨道的卫星受大气影响越明显,特别是质量大体积大的卫星受到大气影响轨道更容易下降。

二,应对措施和轨道因素

像重400多吨距地397公里的国际空间站每天轨道下降65米,需定期抬高轨道,否则很快会坠落地球。一般采用和空间站对接的载人飞船和货运飞船携带的动力来抬高运行轨道高度。而一般卫星则是用自身携带的推进剂和轨控发动机来定期提升自己的轨道,所以携带推进剂的多少往往决定卫星的寿命。

像一些通信卫星一般都是地球同步轨道,距地近36000公里,在这个高度大气几乎没有,所以它的轨道损失很小,携带的推进剂可以延长卫星很长寿命,所以它们的设计寿命一般都在15年以上。

还有一些大椭圆轨道的卫星运行时间都很长,像我国1970年4月24日发射的首颗卫星“东方红一号”,

它就是一个近地点439公里、远地点2384公里的大椭圆轨道,设计寿命20天,可直到今天为止仍在轨道运行(实际寿命28天),仍没有坠落地球,主要原因就在于它的近地点速度较大(大于环绕地球7.9公里/秒的第一宇宙速度),大于与近地点高度相同的正圆轨道的运行速度,所以它不容易掉落地球。当然它的轨道较高,所处大气稀薄,也是一个原因。但也会受影响逐渐下落,到2009年2月时近地点430公里,远地点2075公里,近四十年近地点下降仅9公里,预计还能运行百年。但无论如何,最终还是会落入地球。

由上看出,在大气影响下,轨道高度和运行速度是决定卫星运行时间的重要因素,但这些由任务要求来决定。所以在满足任务要求的前提下,及时提升轨道是最有效的办法。因此燃烧推进剂提升轨道显得尤为重要,但推进剂携带数量有限,如果能随时对卫星进行推进剂补加就太完美了。为此我国早开始了这一方面的研究和实践,2017年4月20日成功发射天舟一号货运飞船成功掌握航天器在轨补加技术,并在此前后多次在其他卫星上进行了成功实践。

我国有一个专门计划,准备对一些在轨卫星进行推进剂补加,延长卫星使用寿命,据估算成本比重新发射要划算。据说美国也有类似计划,预祝我们国家捷足先登。

以上是对地球人造卫星短时间不会坠落地球而最终还是会落入地球的原因分析和应对措施。而对于地球的天然卫星――月球又是如何呢?

月球距地球平均距离38.4万公里,月球所处轨道是没有大气的,因此月球运行不受大气的影响。按上面的道理讲它永远不会离开它现在的轨道而落入地球或离开地球,而实际上月球虽然不受大气影响,但由于它的巨大质量,太阳及其他天体对它的影响不能忽视,尤其是太阳,据计算太阳对月球的引力是地球对月球引力的两倍多。
所以在这些天体的共同复杂作用下,月球不但不向地球坠落,反而每年以3.8厘米的速度在远离地球。

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<2>卫星绕地球旋转不掉下来的背后是地球引力和向心力的平衡


宇宙中的天体质量都非常大,而人造卫星的质量又非常小,所以在太空中可以很明显的感觉到引力的存在,我们在地球上向远方扔石头时它最后总会沿着曲线下坠,而你用的力气越大石头在空中飞行的时间就越长,而一旦你扔的石头速度达到了7.9km/s,那么这颗石头就能飞出地球,但是太空的微重力环境会让石头长时间保持这个速度,这时候地球引力对石头来说就是向心力。

在理想情况下物体一旦达到7.9km/s,那么在飞出地球后它会永远绕着地球运动,但实际上在500km到800km的高度上,航天器仍然会受到逃逸层大气分子带来的阻力,因此如果卫星和国际空间站实际上是越飞越低的,因为大气分子降低了它们的速度,而地球引力趁此机会又拉低了它们的轨道,国际空间站受此影响不得不定期机动以抬高轨道。

地球的大气分子浓度是随着轨道的提高而减少的,所以我们能看到1970年发射的东方红一号至今也没有因为大气分子的问题而坠落到地球上,因为它轨道的近地点已经达到了430千米,远地点更是达到了2300千米,只不过由于东方红一号很早以前就没电了,所以严格意义上来说它已经是太空垃圾了,但是希望我国在未来可以派航天员去把它“抓回来”放到博物馆,作为早期中国航天事业的见证者。

卫星绕着地球旋转的背后有着牛顿万有引力的支持,虽然爱因斯坦广义相对论说引力是由空间扭曲产生的几何现象,但在现在初级航天阶段我们用牛顿的万有引力就能完成载人登月和火星车着陆,这也说明人类航天技术目前仍然在低速徘徊。

其他网友回答:

用一句简单的话来解释:月球或者人造卫星就是因为地球的引力,一直在往地球上落,只是一直没有落下来而已。

自从牛顿发现了万有引力定律,有这样一个思维实验来解释为什么月亮受着地球的引力吸引为什么不掉下来。在物理课程中我们都学过平抛运动,在这里我们假定站在一座高山上往出平抛一个小球,随着初始速度的增加它的落地点距离会越来越大,直到达到一个速度的临界点这个小球一直有下落的趋势。

但是奈何平抛水平的距离都超过地球半径了,所以可以把月球绕着地球转理解成月球在绕着圈的想要掉落在地球上,一直如此。

当然还有另一种解释,月球受到的引力提供了向心力,向心力的作用效果就是月球绕着地球转动。

这里是科学黑洞,欢迎你们的关注与点评,图片来源网络侵删。

其他网友回答:

目前得知,不管是地球的人造卫星还是天然卫星都不会因为引力落入地球,当然如果正常运行的卫星轻易就落入地球,那发射那么多的卫星变成悬在空中的一个“炸弹”了,这样事情人类也不会允许它存在的。

要了解卫星在轨运行的原理,那不得不提下牛爵爷发现的万有引力了,真是由于万有引力的不断被证实,让人们对太空天体的运行规则产生了质的跳跃。从最初还停留在是“日心说”“地心说”争论的层次,到人们把天体之间的万有引力粗略算出描绘出天体运行轨道形状,这样的变化让人们有信心把自己的卫星送上天空,实现在轨运行。

那如何在轨运行不至于跌落?就得了解通过万有引力公式算出来的第一宇宙速度,第一宇宙速度又称航天器最小发射速度、航天器最大运行速度。通过万有引力公式算出的值大约是v≈7.9 km/s。理论上,当物体运行速度达到第一宇宙速度,物体在获得这一水平方向的速度以后,不需要再加动力就可以环绕地球运动。这样由万有引力跟水平初速度构成的合力向心力,就可以支持卫星做匀速圆周运动,从而不至于落入地球,但实际上卫星发射在轨运行的技术难度要比理论大的多,不但要考虑发射时候的空气阻力,还有在太空中的变轨等等。

不用担心卫星会落入地面,虽然地球外面很多卫星,同样也不必要担心卫星会相撞,就地球而言,同步卫星的数量就只能有120个,虽然显得比较拥挤,但是都经过严密计算,若没有故意破坏或者机器故障,这些都可以按照预定轨道运行相安无事。而对于低轨或者高轨卫星的运行空间还是比较充裕的,如果真的遇到故障相撞了,卫星上面也安装了小型火箭推进器,由地面人为控制从而避免卫星相撞的产生。不过可惜的是真发生了卫星相撞事件,在2009年美国铱星33与俄罗斯已报废的宇宙-2251卫星在西伯利亚上空发生相撞,这也是这么多年人类发射卫星的首次相撞,至于原因最后解释也是说存在对轨道判断预算的误差造成的。事实上卫星相撞事件产生还是很低概率的。

卫星是为人类服务的,但是现在太空争夺造成的垃圾已经相当恐怖了,不管是真正为了成为太空霸主,还是另有所图,若不能保护我们地球周围的太空环境的洁净,受伤的那肯定还是会是地球。“太空污染”也将会是人类面临的下一个严峻的问题。

其他网友回答:

卫星为什么不会因为地球的引力吸引而落入地球呢?

卫星并不会永远都保持在近地轨道上,没有掉下来是因为时间不够久!如何来理解这个问题呢,请看下图:

这是运行在地球轨道上的部分卫星示意图,为什么称之为运行呢?是因为它必须保持一定的运动速度,以高速绕行地球所产生的离心力对抗地球对它的引力,在处于平衡状态时,它将一直保持这个轨道运行下去!

这是不同速度在地球近地轨道上的运行方式,只要能实现抛物线的轨道,因为抛物线轨道不再闭合,因此将再也不会回到地球的附近!而双曲线则离去的更快!

当然卫星在运行过程中,它并不仅仅只受到离心力与引力的作用,还有稀薄大气层的阻力作用!尽管传统意义上的大气层一般不高于100KM,但散逸层甚至在500-800KM处仍然有比较高的大气分子浓度,而越低则阻力越大,因此国际空间站每周都要启动火箭恢复高度,否则在大气的阻力下不断下坠,最终重返大气层!

就是这样的效果,成为耀眼的流星......

卫星的几种典型轨道,同步卫星的轨道高达3.6万千米,而且这个位置的空气阻力已经可以忽略不计了,那么它们能永远的保留下去吗?仍然不行,因为在这个高度仍然会受到太阳风的光压作用以及引力波动能的衰减,一颗1吨的卫星大约在6155600年内仍然会重返大气层!当然这个时间对人类来说已经够久了!!

其他网友回答:

答:这是地球和卫星严格遵循大自然规律的结果,卫星受到地球的万有引力,刚好提供了卫星绕地球公转的向心力。

在经典力学中,万有引力定律描述了天体做圆周运动的本质原因,人类发射的卫星绕着地球运动,为人类提供了即时通讯、导航定位、气象观测等等数据。


飞行器离开地球时有两个重要的速度,第一宇宙速度7.9km/s和第二宇宙速度11.2km/s,分别表示飞行器绕地球做圆周运动和逃离地球引力的最低速度。

万有引力定律描述,任何有质量的两个物体,都会受到相互之间的引力,卫星也会受到地球的引力;同时运动学告诉我们,做圆周运动的物体,会有一个向心力,如果没有了向心力,那么物体就会沿着圆周运动的切线方向飞出去。

卫星绕着地球运行,由万有引力提供向心力,卫星的速度大小和方向,决定了卫星的运行轨道:

(1)若卫星在近地轨道的速度低于第一宇宙速度,那么地球提供的万有引力将大于向心力,卫星会坠落到地面;

(2)卫星在近地轨道做圆周运动,其速度至少为7.9km/s,这也是卫星发射时的最低速度,但是在高轨道处,卫星的绕行速度会低些;

(3)若卫星近地点速度在7.9~11.2km/s之间,卫星将会沿着椭圆轨道运行。

(4)若卫星在近地点的速度大于11.2km/s,那么卫星将会彻底摆脱地球的引力,飞向太阳系空间。

只要人类精确控制卫星的飞行速度,就能保证卫星不坠入地面,也不逃脱地球引力,比如:

(1)国际空间站的轨道高度大约400公里,绕行速度7.8km/s,之所略小于第一宇宙速度,是因为轨道原因;

(2)中国空间站轨道高度400~450km,预计2022年建成;

(3)同步卫星的轨道高度为35786km,线速度为3.08km/s。

实际上,空间站的高度相对于卫星而言是很低的,会受到地球稀薄空气的阻力作用,从而降低运行速度和拉低轨道,为了保证空间站的高度,每过一段时间空间站会使用推进器,把速度适当提高。

好啦!我的内容就到这里,喜欢我们文章的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!

其他网友回答:

科学是严谨的,但很多时候科学会涉及到比较复杂晦涩难懂的专业术语和计算公式,所以对于多数科学爱好者来说,需要用一种通俗的语言进行科普工作,但通俗的时候有时候就显得不太严谨,所以通俗和严谨之间需要平衡,而本人更倾向于用通俗的语言来描述。

比如就问题本讲,卫星为什么不会因地球引力落入地球?很多人都知道答案,因为速度,卫星高速围绕着地球运行,有离心力的作用,离心力是一种虚拟力,并不是真正的力,但时刻在发挥着作用!

现实中这样的例子有很多!比如田径比赛中的链球比赛,运动员快速旋转链球然后扔出去,在旋转的过程中运动员也在用力拉拽链球,这种力就相当于引力,运动员就相当于地球,链球相当于卫星!

链球为何没有落向运动员呢?一样的道理!

更深层次地理解,卫星确实一直在不断地落向地球,但并不会真的落到地球上,只不过一直有落向地球的趋势!说白了,卫星并不是漂浮在太空中,而是一直在落向地球,但由于高速运动,地球又是圆形的,卫星的运行弧度与地球表面弧度一致,所以卫星不会落到地球上!

这就像你扔一块石头,它总是会落到地面上,加速你力气越来越大,石头也会飞得越来越远,但还是会落到地面上,也就是一直有落向地面的趋势。如果你力气足够大,石头就不会落到地面上,而是会环绕地球飞行(实际就成了卫星),但即使这样,石头仍旧一直在向地球坠落!

其他网友回答:

这个问题高中物理课本里有详细描述。

简单来说,因为人造卫星和飞船发射出去以后,它以特别大的速度围绕地球运转,抵挡住了地球对它的引力——向心力的作用,使卫星作匀速圆周运动,而不能使它们落回地面。

那么,什么样的速度,才能使人造卫星脱离地球的引力,而绕地球作匀速圆周运动呢?根据科学家计算,每秒达7.9公里,并且从水平方向抛出去,就能使人造卫星环绕地球运转。这个速度叫环绕速度,也叫第一宇宙速度。如果小于这个速度,它就会被地球引力拉回来。

假设卫星原来的运行轨迹是一条直线,那么相比那条直线,它确实是在掉,但是掉到地球后面去了,再掉就又掉到地球后面去了。

就是说相比刚才的直线,卫星每时每刻都在掉,但是因为掉得刚好,掉得恰到好处,就不断按照轨道,围绕地球做圆运行了。

其实本来卫星想进入地球轨道,就需要以巧合速度和角度,同样在轨卫星就具有了巧合的速度和角度,就不断做圆周运动,就是这样。

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