4、牛顿炮弹的科学启示

伟大的英国科学家艾萨克·牛顿在 1678 年完成的《自然哲学的数学原理》一书中，首先从科学的角度阐述了物体摆脱地球引力束缚的原理。他明确指出：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，沿着一个方向在太空深处飘游，浪迹天涯，永远不会回到地球。为此，牛顿进一步设想，在一座高山上，架起一座大炮对着前方，以一定速度将炮弹平射出去，那么由于地球引力的作用，它会沿着一条抛物线，达到一定距离后落到地上。如果把炮弹的速度加大，则其射程也会随之增加。这样不断加大速度，射程就会继续延伸，而只要炮弹的速度增加到足够大的数值，它就会克服地球的引力而绕地球作圆周运动，甚至脱离地球轨道而进入宇宙空间漫游。这个摆脱地球引力束缚的力学经典原理，为人类飞出地球指出了正确方向。

按照牛顿万有引力定律，人要飞向茫茫太空，必须向地球引力挑战，设法挣脱地球引力。我们在童年时可曾做过这样的游戏：用一根绳子拴上一个球，拉住球不让其挣脱，从而使它周而复始地旋转。要知道，这个迫使球不断转圈并使之作圆周运动的力，必须时刻与球的运动方向垂直，即时刻指向圆心，这种力叫向心力。这同牛顿设想射出炮弹的情况一样，从理论上讲， 炮弹随着速度的增加，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的缘故。因此，加快速度是克服地球引力的关键。

那么，究竟一个物体要得到多大的速度才能摆脱地球的束缚呢？根据牛顿提出的理论，人们很快找到了答案。经计算，如果一个物体达到每秒 7.9 公里的速度，就能使地球对它的吸引力，即物体的向心力，与它的离心力保持平衡，物体便可不再坠落地面，而是环绕地球运行，并与到地面的距离始终保持不变，这个物体就成为地球的一个卫星，环绕地球飞行。这个速度被叫做“第一宇宙速度”，或称环绕速度。

如果物体运行的速度再增大，那么它离地球中心的距离就会越来越大， 同时飞行速度逐渐减小，飞行轨道变成一个椭圆形；并随着速度的增加，飞行曲线越来越平滑。当速度大到每秒 11.2 公里时，则椭圆形的曲线就会裂口，地球引力就再也不能对这个物体起作用了。于是，它就会飞离地球，成为太阳系中的一颗行星。这个速度被叫做“第二宇宙速度”，或称“逃逸速

度”或“脱离速度”。

当这个物体的速度再增加到每秒 16.7 公里时，太阳的引力就会显得无能为力，对它也管束不了，只好让其飞出太阳系，到更加广阔的宇宙空间任意遨游了。这个速度被称为“第三宇宙速度”。

这样就从科学上找到了一个正确的理论根据：

人类要实现航天的愿望，首先要突破第一宇宙速度，这是摆脱地球束缚的第一步。