豆豆:“虎子哥说,人造卫星轨道的形状,分为圆形轨道、椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道,可是后面两种是什么玩意?不能理解阿!虎子哥自己也说不出来。”
爷爷:“如果是围绕一个天体进行公转的人造卫星,那么,它其实只有两种形状轨道,就是圆形轨道和椭圆轨道,为什么呢?因为抛物线轨道和双曲线没有闭合点,卫星不能围绕这个天体完成周而复始的公转运动,而是逃逸。”
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豆豆:“能简单说说吗?”
“当然能!”爷爷:“为了便于理解,我们还是以地球人造卫星来说吧!想想看,稳定绕地球公转人造地球卫星,为什么不掉下来,也不会逃走?因为地心引力,会给它提供一个向心力,而卫星的运转,却会产生一个向外的离心力,只要这两个力处于一定的相对大小平衡关系,卫星就不会掉下来,也不会逃逸。那么,速度的作用就非常重要,对吧?你知道第一宇宙速度吗?”
豆豆:“第一宇宙速度,是能使人造天体环绕地球运行的(最大)速度,当然也是航天器脱离地球表面的发射的最小速度,每秒7.9公里。”
“对!”爷爷:“如果人造绕地球运行天体的速度达到每秒7.9公里,它就会围绕着地球公转,而且轨道的形状为圆形,这是因为它的离心力和向心力处于最为平衡的状态。那么,如果低于7.9公里每秒呢?”
豆豆:“它会被地球的引力拉回地球。”
“对!”爷爷:“那如果高于每秒7.9公里呢?”
豆豆:“它会逃逸,不再环绕地球公转,对吗?”
“不对!”爷爷:“因为,要看速度到底有多快?如果速度达不到每秒11.2公里,或者说小于第二宇宙速度,这时候,人造地球卫星无法克服地心引力而脱离地球,它依然会围绕地球公转,但是呢,因为速度变大了。变多大呢?每秒7.9公里到11.2公里之间。这个速度,它会跑得远一些,而地心引力却不能让它跑太远,还得让它回来。也就是说,它的速度大于第一宇宙速度每秒7.9公里,不会被地心引力拉下来,但速度又达不到第二宇宙速度每秒11.2公里,地心引力不足以让他回到地球,而公转的离心力,又不足以让它逃逸出地心引力范围,这样一来,轨道就会变成椭圆的,但它依然会绕地球公转。”
豆豆:“那它在椭圆轨道上围绕地球公转,怎么保持公转的平衡呢?”
爷爷:“公转的质心,肯定是地心,公转轨道平面,必须经过地心,这是肯定的,但是质心(地心)会处于椭圆当中的什么位置呢?不是椭圆中心,而是椭圆焦点。如果处于远地点时,它速度过大,卫星就会逃逸,如果处于近地点时,速度过小,卫星就会撞向地球。卫星越接近近地点时,动能越大,势能越小,速度越大,因为地球从近日点运动到远日点时,势能转化为动能。而越接近远地点时,动能越小,势能越大,速度越小,因为从远日点运动到近日点时,势能转化为动能。这样才能维持旋转的平衡。或者说,要维持运转的平衡,椭圆轨道的
人造卫星,并不是匀速运动的,得保持引力和离心力的平衡。”
豆豆:“哎!怎么挺像地球围绕太阳公转的情形。”
爷爷:“不是挺像,而是原理相同,都满足于开普勒第二定律。实际月球围绕地球公转也是同理,而且所以类似的天体运转情形,都是同理,只是具体的各种数据不同而已,这是因为不同天体的质量和引力不相同的原因。”
豆豆:“那抛物线轨道呢?”
爷爷:“如果航天器速度等于或大于第二宇宙速度每秒11.2公里呢?”
豆豆:“它会逃逸。它能够克服地心引力作用,跑到太阳系里去运转,可能跑到‘她火星叔叔’那去,也可能跑到‘她太阳公公’那。”
“对!但是,为了方便理解,我们姑且不说她去没去‘火星叔叔’、‘水星姑姑’家的问题,只说‘她’跑到了‘她太阳公公’家去的问题”爷爷:“第二宇宙速度,是脱离地球引力的最小速度速度。而当航天器达到第二宇宙速度时,它的轨道将会变成抛物线,而且从此逃离出地心引力的束缚,而抛物线是什么?简单说,没有闭合点的弧线。”
爷爷:“如果,航天器速度大于或等于每秒16.7公里呢?”
豆豆:“那就是第三宇宙速度,它将离开太阳系。”
爷爷:“这是脱离太阳系的最小速度。相对于将它抛离的天体‘太阳公公’而言,它的运行路径,又形成一条抛物线,这是双曲线当中的一条,而另一条,则是‘地球妈妈’抛离它时形成的那一条,简单说,行天器的这种运行轨迹,就是‘双曲线轨道’,自然也没有闭合点。”“哦,我们一天说速度,那你说说这个‘速度’,是指什么速度?”
豆豆:“线速度!”
爷爷:“对!”