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翟志剛出艙:怕地球飄跑了!地球為何能飄在太空中,而沒掉下去?

2021-11-09  火星科普

在神舟十三號飛行任務中,翟志剛和王亞平兩位航天員已經完成了一次出艙活動,安全返回中國空間站。王亞平去太空中為女兒“摘”星星了!這是王亞平個人的首次太空行走任務,也是中國女航天員的首次,創造了中國航天的又一里程碑。

這不是翟志剛的首次出艙任務,早在2008年的神舟七號,他就成為我國首位漫步太空的航天員。當年,翟志剛在出艙時可謂是一波三折。他先是遇到艙門很難打開的問題,打開艙門后又遇到火災警報。

在遭遇這些險境時,翟志剛都能保持頭腦清醒,沉著冷靜應對,最終成功完成了中國航天史上的第一次太空行走任務。這為后來的神舟十二號和十三號出艙活動,積累了寶貴的經驗。

作為我國漫步太空的第一人,翟志剛一出艙,就被眼前的景象所震撼到。在他腳下,是看不到底的壯美星空。在他頭頂,地球是懸著的。當然,他與飛船也都是懸著的,無依無靠。翟志剛還開玩笑地描述當時的景象,看著地球都不安全,怕地球都飄跑了。

地球可以說是一艘巨型“宇宙飛船”,帶著包括人類在內的萬物在太空中飛行。人類只是地球上微不足道的存在,整個地球的直徑可達12740公里,總重60萬億億噸(6×10^24 kg)。那么,如此之重的地球為什么能飄在太空中呢?地球又為什么能在宇宙中“飛行”45億年,動力來自哪里?

我們一直生活在地球表面,對于方向總有上下的概念,這是因為我們一直受到地心引力的作用。一切事物都有被引力拽向地心的趨勢,引力作用的方向就被視為“下”。由于地球是個球體,“下”只是一個相對方向,但都是指向地心。

很多人覺得,太空中并沒有“下”的概念,所以地球又何來向哪里掉下去?但事實并非如此,太陽系中也可以有“下”。在太陽系中,太陽是主宰天體,它的質量高達太陽系總質量的99.86%,它的強大引力束縛住著各大天體。

雖然我們從地球上來看,太陽每天都懸掛在天空中。但從整個太陽系的角度來看,太陽的引力會把各大天體拽向太陽中心,所以參照地球上的情況,太陽的引力作用方向就是太陽系的“下”,太陽的正中心是太陽系的“最底部”。

也就是說,地球其實會向下掉,向著太陽中心掉下去。但過去45億年來,地球卻沒有真的墜入太陽中,那么,地球能夠懸浮在太空中的真正原因究竟是什么呢?

這個原理其實與宇宙飛船飄在太空中是一樣的。宇宙飛船在太空中繞著地球旋轉,上面的宇航員處于失重狀態,飄在太空中,這并不是因為他們不受地心引力作用,太空中還是有引力的。

載人飛船距離地表的高度一般為400公里,而地球半徑達到6370公里,所以宇航員到地心的距離并沒有太大的變化。根據牛頓的萬有引力定律(F=GMm/r^2),在400公里高的太空中,宇航員受到的地心引力作用是在地表上的88.5%。

真正讓宇航員失重的原因,在于他們一直處在自由落體的狀態。宇航員一直在掉向地球,但又因為速度夠快,所以一直掉不到地球上,讓他們看起來不受重力。

牛頓曾經做過一個思想實驗,假設地表上有一門大炮,它朝著水平方向打出一發炮彈。由于地心引力的作用,炮彈飛行一段距離后,將會掉到地上。顯然,炮彈的水平飛行距離與初速度成正比。

雖然有地心引力會把炮彈拽向地表,但地球是個球體,表面是彎曲的,如果讓炮彈的初速度快到一定程度,它在掉下來時可以完美錯開地表,就這樣一直在空中飛行,不需要任何動力。通過牛頓力學計算可知,這個速度為每秒7.9公里,也就是我們熟知的第一宇宙速度。

第一宇宙速度是貼著地表無動力飛行所需的初速度,但地球上有空氣阻力,還有山川阻擋,所以我們需要到太空中。到了太空中,地心引力稍微弱了一些,所需的環繞速度也會更小。計算可得,在400公里的軌道高度,所需速度約為7.7公里/秒。

以此速度飛行的宇宙飛船,就能在對應的軌道高度上,依靠慣性繞著地球飛行。此時,宇宙飛船和上面的宇航員都是在做自由落體運動,但因為飛得夠快,所以不會撞上地球表面,表現出失重的現象。

同樣地,地球也是飛得夠快,以每秒30公里的速度相對于太陽運動,所以地球可以飄在太空中,不會掉進太陽中。那么,地球最初又是如何達到這么快的速度呢?第一推動力來自于哪里?

這要追溯到整個太陽系的起源。46億年前,太陽系還是一團正在自轉的星云。大部分星云物質聚集到中心,形成了太陽,殘余星云則繼續自轉,或者說繞著太陽旋轉。

在殘余星云中,物質互相碰撞結合,最終演變成了各大行星,其中就包括我們的地球。由于角動量守恒,最初自轉星云的角動量被地球繼承,所以地球還會繼續繞著太陽旋轉。由于太空沒有阻力,地球在過去45億年里基本上不會損耗角動量,即便沒有動力來源,地球也會一直轉動下去。

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