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。”