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牛顿高射炮

时间:2019-08-24    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

牛顿高射炮

  

人们从小就有这样的体验:向天空扔一块石头,不管用多大力气,扔得

多高多远,石头最后都要落回到地面上来。这就是 300 多年前英国伟大的科

学家牛顿发现的地球引力的作用。牛顿在 1687 年完成的《自然哲学的数学原

理》一书中指出:如果一个抛物体,不受地球引力的作用,就会像一个浪子

一样,沿着一个方向向太空深处飘游,浪迹天涯,永远不会回到地球。

那么,如何才能摆脱地球的引力到太空去遨游呢?牛顿曾经设想:如果

制造一座高射大炮,架在高山之上,炮弹平射出去,在获得足够大的速度之

后,距地面越来越远,而受到的地球引力也就越来越小,以至飞到足够远的

地方环绕地球飞行而不致掉下来;如果速度再大,甚至会飞离地球轨道而进

入宇宙空间漫游。这就是牛顿描述的摆脱地球引力束缚的力学经典原理。

按照牛顿提出的万有引力定律,人要飞向茫茫太空而不致掉下来,必须

向地球引力挑战,设法挣脱地球引力。每个人童年时可能都做过甩球的游戏,

即用一根绳子栓上一个小球,用手拉着绳子让小球绕着人周而复始地不停旋

转。这个迫使小球不断转圈并使之作圆周运动的力,必须时刻与小球的运动

方向垂直,这个力叫向心力。这同牛顿设想射出炮弹的情况一样,炮弹随着

速度的增大,其弹着点不断伸远,直到可围绕地球作匀速圆周运动,这里围

绕地球运动的向心力正是因为有地球引力之故。因此,加快速度是地球引力

的关键。

根据牛顿提出的理论,算出一个物体达到 7.9 公里/秒的速度,就能使地

球对它的吸引力与其离心力保持平衡,这个物体便可不致坠落到地面,并与

地面的距离保持不变,沿着一定的轨道运行。这也就是卫星环绕地球飞行的

道理。这个速度称为第一宇速度,或称环绕速度。在第一次世界大战中,德

国曾经生产一种远程大炮,炮身长 34 米,炮弹的速度达到 1. 6 公里/秒,这

离第一宇宙速度还差得很远。牛顿设想的高射大炮不可能造出来,因为要使

炮弹达到 7.9 公里/秒的速度,炮身需长 1 千米。这是无法办到的事情。

如果把物体运行的速度再加大,那么它离开地球中心的距离就会越来越

远。当速度大到 11.2 公里/秒时,地球引力就无法把这个物体拽住了。于是,

这个物体便飞出地球,进入太阳系内飞行。这个速度被称做第二宇宙速度,

或叫逃逸速度、脱离速度。

当这个物体的速度再增大到 16.7 公里/小时,太阳的引力也显得无能为

力,只好让它飞出太阳系到更加广袤的宇宙空间遨游了。这个速度被称为第

三宇宙速度。

牛顿高射大炮所昭示的万有引力原理,以及这三个宇宙速度,奠定了后

来发射人造地球卫星和各种宇宙飞行器的科学基础。英国大诗人拜伦这样评

价牛顿学说的:“牛顿铺设的道路,减轻了痛苦的重负,从那时候起已经有

了不少的发现,看来我们总有一天,会在蒸汽的帮助下开辟出到月球的道


路。”

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