火箭即使蜗速都可以飞出太空,而为什么飞机再快也飞不出去

只要飞机的燃料足够,飞机是否可以冲出地球,飞入太空?
火箭即使蜗速都可以飞出太空,而为什么飞机再快也飞不出去
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我们想得太美好了,其实无论飞机怎么飞,都不会飞出地球的。原因倒不是因为飞机飞的太慢,而是因为飞机的飞行原理决定的。飞机能够飞行,主要是飞机飞行时通过机翼上表面和下表面时的空气流速不一样,引起到压强差导致的。空气通过机翼上表面时流速大,压强较小,通过下表面时流速较小,压强大。因而此时飞机会有一个向上的合力,也就是飞机的升力。飞机在地面滑行时候,随着速度越来越快,机翼产生的升力不断增大,直到大于飞机重力,飞机就可以克服地球引力飞上天空。
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/升力的大小与飞机飞行速度越快、机翼面积有关。飞机升力的精确计算很复杂,其的近似计算如下:升力=0.5*空气密度*速度^2*参考面积*升力系数,其中升力系数=升力线斜率*(迎角-零升力迎角)。
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由此可见,飞机必须借助大气才能飞行,简单说就是利用大气的压力差获得飞行动力,没有大气飞机就是一堆废铁,这也是飞机和航天飞行器的本质区别。所以,无论飞机怎么飞都不可能离开地球,因为它不可能离开大气层!
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火箭的飞行原理与飞机不同,它是靠往后喷出的高速气体,从而获得的反作用力而飞行的。飞升过程无需大气层产生浮力,而且大气层还成为阻碍火箭升空的阻力。火箭气体喷出得愈快,火箭前进的速度也就愈快。因此火箭要达到很高的飞行速度,除了要求有很高的喷气速度,还需要携带大量的燃料。目前使用多级火箭,一来就是可以携带大量燃料,二来是在飞行过程中不断减轻重量,燃烧完一级火箭就扔掉一级。
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网上有些网友对于如何飞出地球有一个认知的片面性,认为只有达到第二宇宙速度才能飞出地球。其实这是错误的认知,理论上只要保持输出动力(大于重力),即使蜗牛的速度也能飞出地球。但是如果你慢吞吞飞,飞出地球大气层,就不知道要带多少燃料了,要知道燃料的重量是占大头的。飞升过程关键是持续的施加超过自身重量的动力,一旦没有动力,就会被地球的引力拉回来!如果你能不断持续跳起来的动力,你也能跳出太空,可惜没有,所以每次都被拉回地球。
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达到第二宇宙速度(11.2公里/秒),如果没有空气阻力的话,就可以不依靠任何动力飞出地球,依靠惯性就能行了!我们平时骑自行车,肯定有过这样体验。如果上一个小坡,上坡前只要快速蹬几下,达到一定的速就可以依靠惯性上坡,无需再提供动力。反过来也一样,只要你车技好,给出的动力足够且持续,你慢吞吞的也能够骑上坡!你平时上坡是用吃奶的力气慢慢蹬上坡,还是骑快点一口气轻松冲过呢?这也就是火箭发射速度越来越快的原因,否则火箭可能得造个山头那么大才行。
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火箭需要多大的速度才能一口气冲出地球,飞进太空呢?假设火箭速度为V,质量为m,地球半径R,质量M。火箭的出动能Ek=1/2mV^2,在R处重力势能为Ep=GMm/R。火箭要想脱离地球,就必须使得Ek≥Ep,那么火箭的速度V≥√2Gm/R才行,这也就是所谓的第一宇宙速度。不过先不要开心,我们上面的计算是基于理想情况下。要知道地球还有大气层呢,火箭起飞还要受到它们的阻力,而且速度越快,阻力越大。
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火箭飞上太空,把人造卫星扔到轨道后不管,卫星为什么能环绕地球长久运转而不掉下来?这是因为人造卫星发射出去后,它以第一宇宙速度运行。这个速度可以抵消地球引力对它的作用(向心力),使卫星作匀速圆周运动,而不使它们落回地面。注意的是,这个速度只需抵消地球对它的作用不掉下来,但是还不能完全挣脱地球引力,所以只能绕地球运行。由于卫星的运行轨道并不是完全真空,还有稀薄空气的阻力。所以卫星运行时间长了,速度会渐渐减慢。如果没有发动机增加动力,那么卫星最后就会坠入稠密的大气层,与空气摩擦而烧毁。环绕地球飞行的人造卫星,都是用火箭把它携带到天空中去的。要达到7.9km/s的高速度,就必须使用多级火箭,从而让卫星释放时达到这个速度。

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