最初の宇宙速度は秒速7.9キロメートルです。この速度に達して地球を離れることはできるでしょうか?いいえ

最初の宇宙速度は毎秒 7.9 キロメートルで、「軌道速度」とも呼ばれます。

名前の通り、物体の初速度が秒速7.9キロメートル以上であれば、落下することなく地球を周回する地球の衛星となることができます。しかし、私たちが打ち上げる人工衛星のすべてがこの速度で打ち上げられるとは思わないでください。第一宇宙速度の概念は、砲弾を地球に向かって水平に発射した場合、砲弾の速度が十分に速ければ、砲弾は地球を周回し、決して地面に落ちることはないというニュートンの仮説に由来しています。この仮説は「ニュートンの大砲」と呼ばれ、砲弾とロケットの間には本質的な違いがあります。砲弾には追撃力がないので、初速度が十分に速い場合にのみ地球の軌道に入ることができます。

ロケットは後方に噴射された物質の反力を利用して前進するため、理論上はロケットに一定の動力が供給されていれば、どんなにゆっくり飛んでも最終的には地球の軌道に入ることになります。

もちろん、これは単なる理論です。現実には、ロケットは化学動力で動いており、燃料がロケットの重量の大部分を占めているため、宇宙船を宇宙に送り出すには、やはり速度をできるだけ上げなければなりません。では、第一宇宙速度はどのように計算されるのでしょうか?現実にはロケットはどれくらいの速度が必要なのでしょうか?人工衛星が地球の周りを回るときには、実は求心運動をしており、この求心運動を支える求心力が実は万有引力なのです。この場合、向心力の式は G=m(V∧2/R) となります。

G=M(V∧2/R)、ここで、G は向心力、つまり重力定数、m は衛星の質量、R は地球の半径です。

人工衛星の質量は地球に比べて非常に小さく、基本的に無視できるため、この式によれば速度Vは7.9km/sと計算でき、これが第一宇宙速度となります。第一宇宙速度は地球の中心に対する相対速度であり、地球自体も自転しているので、宇宙船を打ち上げる際には地球の自転速度を利用することができ、より多くの労力を節約できます。地球は球体なので、その自転速度は場所によって異なります。最も速い速度は赤道地域で、自転速度は約 460 m/s です。つまり、赤道地域でロケットを打ち上げるには、速度 7.4km/s に達するだけでよいということです。

赤道地域でロケットを打ち上げると武力の行使を最大限にすることができるため、世界の多くの国は、我が国の海南省文昌発射基地のように、赤道近くに発射基地を建設することを選んでいます。我が国の長征シリーズロケットの打ち上げ速度は約7.5km/sです。

第一宇宙速度に到達すれば、地球を周回することができます。第一宇宙速度を超えたらどうなるでしょうか?物体の移動速度が第一宇宙速度と正確に等しい場合、理論上はほぼ円軌道で地球を周回することになります。物体の速度が第一宇宙速度を超えると、その軌道は楕円形になる傾向があり、速度が速いほど楕円は楕円形になります。この物体の速度が閾値に達すると、地球の重力から完全に解放されることになります。この閾値は、第二の宇宙速度です。

物体の移動速度が第2宇宙速度に達すると、地球から脱出することができるため、第2宇宙速度は「脱出速度」とも呼ばれます。

第二宇宙速度とは何ですか?第二宇宙速度の導出はより複雑です。このプロセスを省略し、式 V=√2GM/R を直接示します。この式の G は依然として万有引力定数、M は地球の質量、R は地球の半径です。計算の結果、V=11.2km/sとなり、これが第2宇宙速度となります。物体が第一宇宙速度に達すると、地球の衛星になることができます。第二宇宙速度に達すると、太陽を周回する惑星になることができます。では、もし太陽系から脱出したいとしたら、それは可能なのでしょうか?もちろん可能ですが、そのためには第 3 の宇宙速度に到達する必要があります。

3番目の宇宙速度の導出プロセスはより複雑なので、V = √2V（地球）という式を直接示します。

この式の 2V (グランド) は、地球が太陽の周りを公転する速度を表し、秒速約 30 キロメートルです。この式は太陽を基準系として計算されており、ここで言う第三宇宙速度は地球を基準系としているため、地球自身の公転速度も差し引く必要があり、式は V=(√2-1)V(地球) となり、結果は 16.7km/s となり、これが第三宇宙速度となります。太陽系は宇宙における単なる普通の恒星系です。その外にはもっと大きな宇宙構造が数多く存在します。したがって、第 3 宇宙速度に加えて、第 4、第 5、といった宇宙速度も存在します。しかし、現在の能力では、宇宙のより大きな構造の質量をまったく決定できないため、それらを計算することはできません。

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