Wie hoch muss ein Flugzeug fliegen, um nicht mehr von der Erdanziehungskraft beeinflusst zu werden? Wie kann es der Schwerkraft der Erde entkommen?

Die Menschen sind voller Fantasien über das Fliegen und im Internet gibt es viele solcher Fragen. Beispielsweise dreht sich die Erde. Solange ein Flugzeug in der Luft ist und sich nicht bewegt, umkreist es die Erde einmal am Tag. Dadurch wird viel Kraftstoff und Energie gespart. Viele Fragen dieser Art wurden in der Vergangenheit bereits beantwortet. Interessierte Freunde können sich auf die entsprechenden Artikel beziehen, die zuvor von Space-Time Communications veröffentlicht wurden. Ich werde hierauf nicht näher eingehen. Lassen Sie uns heute über eine Frage sprechen, die einige Internetnutzer aufgeworfen haben: Wie hoch muss ein Flugzeug fliegen, um nicht von der Erdanziehung beeinflusst zu werden?

Egal wie hoch ein Flugzeug fliegt, es wird immer durch die Schwerkraft der Erde zurückgehalten. Denn Flugzeuge sind Luftfahrzeuge, deren Flugfähigkeit auf der Aerodynamik beruht und die sich in der Atmosphäre bewegen. Sobald das Flugzeug die Atmosphäre verlässt, wird es nicht mehr von der Luft getragen, seine Flügel und sein Heck werden nutzlos und es stürzt ab. Darüber hinaus benötigen auch Flugzeugtriebwerke Sauerstoff, um ihren Betrieb aufrechtzuerhalten. Wenn das Flugzeug zu hoch in der Luft ist, wird der Motor aufgrund von Sauerstoffmangel abgewürgt und das Flugzeug stürzt ab.

Das derzeit schnellste und am höchsten fliegende Flugzeug ist das US-amerikanische Experimentalflugzeug X-15A aus den 1960er Jahren mit einer Fluggeschwindigkeit von 6,72 Mach (7274 km/h) und einer maximalen Flughöhe von 108.000 Metern. Es ist genau so, wie Sun Wukong es über die Entfernung von 108.000 Meilen gesagt hat, aber hier sind es nur 108.000 Kilometer. Dieses Flugzeug kann jedoch nicht mehr vollständig als Flugzeug betrachtet werden. Angetrieben wird es von einem Raketentriebwerk, das von der North American Aviation Corporation entwickelt wurde. Genau genommen ist es ein bisschen wie eine Rakete.

Warum können Raketen höher ins All fliegen? Dies liegt daran, dass es mit einem Raketentriebwerk ausgestattet ist und Raketentriebwerke keinen Sauerstoff zur Unterstützung der Verbrennung benötigen. Sein Treibstoff ist mit Flammschutzmitteln ausgestattet, beispielsweise einer 2:1-Mischung aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff, was gleichbedeutend damit ist, seinen eigenen Sauerstoff zur Verbrennung zu bringen. Darüber hinaus ist die Rakete nicht auf Luft angewiesen, um nach oben zu steigen, sondern verlässt sich auf die Reaktionskraft, um heißes, schnelles Gas nach unten oder hinten auszustoßen und sich so voranzutreiben. Theoretisch kann es weiterfliegen, solange genügend Treibstoff vorhanden ist.

Zu diesem Zeitpunkt entwickelt die Luft in der Atmosphäre einen Widerstand, sodass in Zukunft immer mehr Raumfahrzeuge, die in den Weltraum fliegen, vom Weltraum oder vom Mond aus gestartet werden, weil dort kein atmosphärischer Widerstand herrscht und der Einfluss der Schwerkraft geringer ist.

Die Schwerkraft ist eine Fernkraft und wirkt theoretisch über eine unendliche Entfernung. Es gibt wahrscheinlich keine Begrenzung dafür, wie lange Sie fliegen können, bevor Sie der Schwerkraft der Erde entkommen können. Da die Schwerkraft theoretisch unendlich weit entfernt wirkt, selbst am Rand des Himmels und des Universums, ist die Schwerkraft der Erde immer noch vorhanden, was bedeutet, dass es unmöglich ist, vollständig aus der Schwerkraft der Erde herauszufliegen. Die Schwerkraft ist jedoch eine schwache Kraft und ihre Stärke ist proportional zur Masse und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung. Die Formel lautet: F=GMm/r^2.

Dabei stellt F die Stärke der Schwerkraft dar, G ist die Gravitationskonstante, M und m stellen die Massen der beiden Objekte dar, die durch die Schwerkraft miteinander interagieren, und r ist der Abstand zwischen den Teilchen der beiden Objekte. Aus der Formel können wir ersehen, dass die Gravitationskraft umso größer ist, je größer die Masse der beiden wechselwirkenden Objekte ist, und dass die Gravitationsdämpfung umso stärker ist, je größer die Entfernung ist, und dass sie in quadratischer Reihenfolge abnimmt. Auf diese Weise wird die Gravitationskraft bei großer Entfernung sehr schwach.

Im Weltraum gibt es verschiedene Himmelskörper, deren Schwerkraft sich gegenseitig beeinflusst. Obwohl die Gravitationskraft also unendlich sein kann, ist diese Unendlichkeit nur symbolisch. Ab einer gewissen Entfernung ist es sehr schwach und schwer zu spüren und zu messen. Auf diese Weise hat die Schwerkraft jedes Himmelskörpers einen Einflussbereich, der von der Masse der verschiedenen Himmelskörper und den Wechselwirkungen zwischen den Himmelskörpern abhängt. Innerhalb dieses Bereichs kann die Schwerkraft auf die an ihr befestigten Objekte einwirken, außerhalb dieses Bereichs hat sie keinen Einfluss.

Dieser Bereich wird als Radius der Hill-Kugel bezeichnet. Die Berechnungsformel für den Radius der Hill-Kugel lautet: r = a*Kubikwurzel [m/(3*M)]

Dabei ist r der Radius der Hill-Kugel, m die Masse des Objekts in der berechneten Hill-Kugel, M die Masse des großen Objekts, das die Umlaufbahn von m beeinflusst, und a die große Halbachse der Umlaufbahn von m.

Nach dieser Formel beträgt der Radius der Erdhügelkugel etwa 1,5 Millionen Kilometer. Das heißt, innerhalb eines sphärischen Bereichs mit einem Radius von 1,5 Millionen Kilometern spielt die Schwerkraft der Erde eine bestimmende Rolle. Liegt sie über 1,5 Millionen Kilometer, hat die Erde keine Kontrolle mehr. Der Mond ist durchschnittlich 384.000 Kilometer von uns entfernt, unterliegt also vollständig der Kontrolle der Erde und kann sich nur um die Erde drehen.

Der Radius der Hillsphäre des Mondes beträgt etwa 61.400 Kilometer. Innerhalb dieses Mondbereichs werden kleine Himmelskörper durch die Schwerkraft des Mondes zurückgehalten, während in diesem Randbereich die Schwerkraft von Erde und Mond ein Gleichgewicht herstellt.

Die Sonne-Erde-Lagrange-Punkte sind mehrere Punkte in 1,5 Millionen Kilometern Entfernung von der Erde, an denen sich die Schwerkraft der Erde und die Schwerkraft der Sonne ausgleichen. Theoretisch können künstliche Himmelskörper dort lange Zeit ohne oder mit sehr wenig Treibstoff verweilen. Tatsächlich gibt es weltweit viele Detektoren und Weltraumteleskope, die an diesen Standorten betrieben werden. Der von meinem Land im Jahr 2019 gestartete Relaissatellit Queqiao ist das erste Raumfahrzeug, das im Lagrange-Punkt L2 der Erde-Mond-Verbindung operiert.

Streng genommen muss jedes Flugzeug, das aus der Erdanziehungskraft herausfliegen will, also 1,5 Millionen Kilometer weit fliegen. Flugzeuge bilden hier natürlich keine Ausnahme, doch sie können nicht nur nicht aus der Erdanziehungskraft herausfliegen, sie können nicht einmal aus der 16 Kilometer breiten Troposphäre der Erdatmosphäre herausfliegen.

Um der Anziehungskraft der Erde zu entkommen, müssen Sie eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie geht davon aus, dass das Wesen der Schwerkraft die durch Masse verursachte Störung und Verzerrung der umgebenden Raumzeit ist. Das Ergebnis dieser Verzerrung ist, dass massive Himmelskörper von Gravitationswirbeln oder -fallen umgeben sind. Um diesem Wirbel oder dieser Falle zu entkommen, müssen Sie schnell rennen, genau wie Sie aus einem Strudel im Meer entkommen möchten. Sie müssen das Boot sehr schnell fahren, um zu entkommen.

Um der Schwerkraft zu entkommen, muss man daher eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen. Je größer die Schwerkraft, desto höher die erforderliche Geschwindigkeit. Mit anderen Worten: Je höher die Geschwindigkeit, desto schneller können Sie der Schwerkraft entkommen. Das obige Bild veranschaulicht anschaulich, wie man der Schwerkraft entkommt: Einstein trat kräftig in die Pedale seines Fahrrads, um nicht in die Gravitationsfalle zu tappen.

Basierend auf der Gravitationsformel haben Wissenschaftler drei kosmische Geschwindigkeiten auf der Erde abgeleitet, nämlich die erste kosmische Geschwindigkeit von 7,9 Kilometern pro Sekunde, auch als Orbitalgeschwindigkeit bekannt; die zweite kosmische Geschwindigkeit, 11,2 Kilometer pro Sekunde, auch als Fluchtgeschwindigkeit bekannt; die dritte kosmische Geschwindigkeit, 16,7 Kilometer pro Sekunde, auch Fluchtgeschwindigkeit genannt.

Wenn die erste kosmische Geschwindigkeit erreicht ist, ist es möglich, der Schwerkraft der Erde entgegenzuwirken. Man wird weder von der Schwerkraft der Erde nach unten gezogen, noch kann man sich der Kontrolle der Erdanziehungskraft entziehen. Aktuelle künstliche Satelliten, Raumstationen, Weltraumobservatorien (Weltraumteleskope) und andere künstliche Himmelskörper werden mit dieser Geschwindigkeit gestartet. Wenn die zweite kosmische Geschwindigkeit erreicht ist, ist es möglich, der Schwerkraft der Erde zu entkommen und in einen Raum jenseits des 150-Kilometer-Radius der Erdhügelsphäre zu fliegen, um andere Planeten zu besuchen. Alle Sonden, die zum Mars, zur Venus, zum Jupiter, zum Saturn und zu anderen Planeten fliegen, müssen eine höhere Geschwindigkeit erreichen. Wenn die dritte kosmische Geschwindigkeit erreicht ist, ist es möglich, der Schwerkraft der Sonne zu entkommen und über das Sonnensystem hinauszufliegen.

Derzeit fliegt Voyager 1 mit einer Geschwindigkeit von etwa 17 Kilometern pro Sekunde aus dem Sonnensystem heraus. Sie ist mehr als 22,3 Milliarden Kilometer von uns entfernt und damit die am weitesten entfernte, jemals von Menschen geflogene Sonde.

Die Geschwindigkeit, mit der ein Himmelskörper entkommt, wird Fluchtgeschwindigkeit genannt. Obwohl die zweite kosmische Geschwindigkeit von 11,2 km/s Fluchtgeschwindigkeit genannt wird, handelt es sich tatsächlich um die Fluchtgeschwindigkeit der Erde. Tatsächlich hat jeder Himmelskörper seine eigene Fluchtgeschwindigkeit. Die Formel zur Berechnung dieser Geschwindigkeit lautet: v=√(2GM/R)

Dabei ist v die Fluchtgeschwindigkeit, G die Gravitationskonstante, M die Masse des entkommenen Objekts und R der Radius des Objekts. Mit dieser Formel lässt sich die Fluchtgeschwindigkeit aller Himmelskörper berechnen. Mit dieser Formel lässt sich die Fluchtgeschwindigkeit jedes Himmelskörpers berechnen.

Beispielsweise kann es dieser Formel zufolge der Schwerkraft der Sonne entkommen, solange die Geschwindigkeit 617,7 km/s erreicht. Die Fluchtgeschwindigkeit bezeichnet die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um der Oberfläche eines Himmelskörpers zu entkommen. Befindet man sich bereits in einer gewissen Entfernung vom Himmelskörper, ist die Schwerkraft nach der Formel des Gravitationsgesetzes stark abgeschwächt, so dass die Fluchtgeschwindigkeit nicht mehr ganz so hoch sein muss.

Beispielsweise beträgt an der Position der Erde, die 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt ist, die Fluchtgeschwindigkeit von der Sonne nur etwa 42 km/s, während die Umlaufgeschwindigkeit der Erde 29,8 Kilometer pro Sekunde beträgt. Wenn ein Raumschiff von hier aus gestartet wird und dabei die Erdumlaufbahn nutzt, benötigt es lediglich 16,7 km/s, um sowohl der Erdanziehungskraft als auch der Schwerkraft der Sonne zu entkommen.

Die dritte Formel zur Berechnung der kosmischen Geschwindigkeit lautet: v=√(v'^2+v"^2)

v ist die dritte kosmische Geschwindigkeit; v' ist die Fluchtgeschwindigkeit der Erde – Umlaufgeschwindigkeit 42,2 – 29,8 = 12,4 km; v" ist die zweite kosmische Geschwindigkeit.

Daher kann ein Flugzeug, egal wie hoch es fliegt, der Schwerkraft der Erde nicht entkommen. Es gibt kein Flugzeug, das nicht durch die Schwerkraft der Erde zurückgehalten wird. Will ein Raumschiff jedoch aus der Erdanziehungskraft herausfliegen, muss es dem Gesetz der Schwerkraft gehorchen und die zweite kosmische Geschwindigkeit erreichen. Sobald es 150 Kilometer von der Erde entfernt ist, entkommt es der Schwerkraft der Erde.

Das ist alles, herzlich willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

Das Urheberrecht von Space-Time Communication liegt beim Original. Urheberrechtsverletzungen und Plagiate sind unethisches Verhalten. Bitte haben Sie Verständnis und kooperieren Sie.