Die erste kosmische Geschwindigkeit beträgt 7,9 Kilometer pro Sekunde. Können wir diese Geschwindigkeit erreichen, um die Erde zu verlassen? NEIN

Die erste kosmische Geschwindigkeit beträgt 7,9 Kilometer pro Sekunde und hat einen anderen Namen, nämlich „Orbitalgeschwindigkeit“.

Wie der Name schon sagt, kann ein Objekt, sofern es eine Anfangsgeschwindigkeit von 7,9 Kilometern pro Sekunde hat, zu einem Satelliten der Erde werden und die Erde umkreisen, ohne abzustürzen. Aber glauben Sie nicht, dass jeder künstliche Satellit, den wir starten, mit dieser Geschwindigkeit gestartet wird. Das Konzept der ersten kosmischen Geschwindigkeit geht auf eine Hypothese Newtons zurück, die besagt, dass eine Kanonenkugel, wenn sie horizontal auf die Erde abgefeuert wird, bei ausreichend hoher Geschwindigkeit die Erde umkreist und nie zu Boden fällt. Diese Hypothese wird „Newtons Kanone“ genannt, und es gibt einen wesentlichen Unterschied zwischen einer Kanonenkugel und einer Rakete. Eine Kanonenkugel hat keine Folgekraft und kann daher nur dann in die Erdumlaufbahn eintreten, wenn ihre Anfangsgeschwindigkeit hoch genug ist.

Raketen nutzen die Reaktionskraft des nach hinten ausgestoßenen Materials, um sich vorwärtszubewegen. Wenn eine Rakete also über eine konstante Energiezufuhr verfügt, wird sie theoretisch irgendwann in die Erdumlaufbahn eintreten, egal wie langsam sie fliegt.

Natürlich ist das nur Theorie. In Wirklichkeit werden Raketen durch chemische Energie angetrieben und der Treibstoff macht den größten Teil des Raketengewichts aus. Daher müssen wir die Geschwindigkeit so weit wie möglich erhöhen, um das Raumfahrzeug ins All zu schicken. Wie wird also die erste kosmische Geschwindigkeit berechnet? Wie schnell muss eine Rakete in Wirklichkeit sein? Wenn ein künstlicher Satellit die Erde umkreist, führt er tatsächlich eine Zentripetalbewegung aus, und die Zentripetalkraft, die diese Zentripetalbewegung unterstützt, ist tatsächlich die universelle Gravitation. In diesem Fall können wir den Ausdruck der Zentripetalkraft auflisten, nämlich: G=m(V∧2/R).

G=M(V∧2/R), wobei G die Zentripetalkraft oder die Gravitationskonstante, m die Masse des Satelliten und R der Radius der Erde ist.

Da die Masse künstlicher Satelliten im Vergleich zur Erde sehr gering ist und grundsätzlich vernachlässigt werden kann, lässt sich nach dieser Formel die Geschwindigkeit V mit 7,9 km/s berechnen, was der ersten kosmischen Geschwindigkeit entspricht. Die erste kosmische Geschwindigkeit ist relativ zum Erdmittelpunkt und die Erde selbst rotiert. Daher können wir beim Start eines Raumfahrzeugs die Rotationsgeschwindigkeit der Erde nutzen, was uns weiteren Aufwand spart. Da es sich bei der Erde um eine Kugel handelt, ist ihre Rotationsgeschwindigkeit an verschiedenen Orten unterschiedlich. Die höchste Geschwindigkeit wird in der Äquatorregion erreicht, wo die Rotationsgeschwindigkeit etwa 460 m/s beträgt. Dies bedeutet, dass für den Start einer Rakete in der Äquatorregion lediglich eine Geschwindigkeit von 7,4 km/s erreicht werden muss.

Da der Start einer Rakete in der Äquatorregion den Krafteinsatz maximieren kann, entscheiden sich viele Länder der Welt für den Bau von Startbasen in Äquatornähe, wie beispielsweise die Wenchang-Startbasis meines Landes in Hainan. Die Startgeschwindigkeit der Raketen der Langer-Marsch-Serie meines Landes beträgt etwa 7,5 km/s.

Wenn wir die erste kosmische Geschwindigkeit erreichen, können wir die Erde umkreisen. Was passiert, wenn wir die erste kosmische Geschwindigkeit überschreiten? Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit eines Objekts genau der ersten kosmischen Geschwindigkeit entspricht, umkreist es die Erde theoretisch auf einer nahezu kreisförmigen Umlaufbahn. Wenn die Geschwindigkeit des Objekts die erste kosmische Geschwindigkeit überschreitet, tendiert seine Umlaufbahn zu einer elliptischen Form, und je höher die Geschwindigkeit, desto elliptischer die Ellipse. Erreicht die Geschwindigkeit dieses Objekts einen bestimmten Schwellenwert, kann es sich vollständig von der Anziehungskraft der Erde lösen. Diese Schwelle ist die zweite kosmische Geschwindigkeit.

Sobald die Bewegungsgeschwindigkeit eines Objekts die zweite kosmische Geschwindigkeit erreicht, kann es der Erde entkommen, daher wird die zweite kosmische Geschwindigkeit auch als „Fluchtgeschwindigkeit“ bezeichnet.

Was ist die zweite kosmische Geschwindigkeit? Die Herleitung der zweiten kosmischen Geschwindigkeit ist komplizierter. Wir lassen diesen Prozess aus und geben direkt die Formel an, nämlich V=√2GM/R. Das G in dieser Formel ist immer noch die Gravitationskonstante, M ist die Masse der Erde und R ist der Radius der Erde. Nach der Berechnung erhalten wir das Ergebnis V=11,2 km/s, was der zweiten kosmischen Geschwindigkeit entspricht. Wenn ein Objekt die erste kosmische Geschwindigkeit erreicht, kann es zu einem Satelliten der Erde werden. Wenn er die zweite kosmische Geschwindigkeit erreicht, kann er zu einem Planeten werden, der die Sonne umkreist. Wenn es also aus dem Sonnensystem ausbrechen will, ist das möglich? Natürlich ist das möglich, aber dazu muss die dritte kosmische Geschwindigkeit erreicht werden.

Der Herleitungsprozess der dritten kosmischen Geschwindigkeit ist komplizierter, daher geben wir direkt die Formel an, die lautet: V=√2V(Erde).

Die 2V (Masse) in dieser Formel stellen die Geschwindigkeit dar, mit der die Erde um die Sonne kreist, die etwa 30 Kilometer pro Sekunde beträgt. Diese Formel wird mit der Sonne als Referenzsystem berechnet, und die dritte kosmische Geschwindigkeit, von der wir sprechen, basiert auf der Erde als Referenzsystem, also müssen wir auch die Umlaufgeschwindigkeit der Erde abziehen, sodass die Formel V=(√2-1)V(Erde) wird, und das Ergebnis ist 16,7 km/s, was die dritte kosmische Geschwindigkeit ist. Das Sonnensystem ist nur ein gewöhnliches Sternensystem im Universum. Außerhalb davon gibt es viele größere kosmische Strukturen. Neben der dritten kosmischen Geschwindigkeit gibt es also auch noch die vierte, fünfte usw. kosmische Geschwindigkeit. Allerdings können wir sie mit unseren derzeitigen Möglichkeiten nicht berechnen, da wir die Masse der größeren kosmischen Struktur überhaupt nicht bestimmen können.

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