《圖解有趣的生活物理學》:投出去的球要飛出多快的速度,才能克服地球的重力?

《圖解有趣的生活物理學》:投出去的球要飛出多快的速度,才能克服地球的重力?
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我們想讓你知道的是

假設無視空氣阻力,在地上朝遠方投一顆球。愈用力投球,球就飛得愈遠,不過最後球還是會因重力而墜落。如果投球的力量夠大,或許球在掉落之前就能繞行地球一圈了(圖3)。這就是人造衛星的原理。

文:川村康文

為什麼人不會被扔到太空中?

原來如此!

因為地球上的人受到離心力與地心引力的影響,而「地心引力」大於「離心力」!

人站在地球上。這對我們來說天經地義,可為什麼我們人類得以站在地球上,不會被甩飛到宇宙裡呢?

地球的自轉是24小時一圈。赤道周長約4萬公里,所以在赤道上的移動秒速甚至來到460公尺上下。與此同時,旋轉中的物體上又有「離心力」在運作。這是一種從旋轉中心向外牽引的力量。換言之,站在地球上的我們,假如只受離心力影響,就會被地球扔飛到太空中。然而實際上並非如此,那是因為我們身上有「地心引力」。

所有的物體彼此都會受到兩者間交互吸引的力量(引力)所影響,地球與地球上的物體也會互相拉拽。地球的重量約有6,000,000,000兆噸之多,它可以強力拉住我們。而且離心力不過只有地心引力的三百分之一,所以人不會被地球扔出宇宙(圖1)。

物體身上來自地球的引力和離心力的總和稱為「重力」。受重力影響,物體會在一定的加速度下往下掉。這叫做「重力加速度」,又寫作「G」。重力的大小藉加速度的大小來表示,其G值約為每平方秒9.8公尺。我們就是從地球上承受了這麼大的重力加速度。

地球的「重力」非常大

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Photo Credit:台灣東販
(圖1)

向地球中心牽引的引力勝於地球所產生的離心力,所以人類不會被地球甩到太空中。

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假使地球自轉的離心力比地球的引力還強的話,那人類就會被甩飛到宇宙裡。

人造衛星為什麼會持續繞飛地球?

原來如此!

因為人造衛星克服了地球的重力,得以用與離心力相抗衡的速度飛行。

繞行行星周圍的星球叫做衛星。月球就是地球的衛星。而所謂的人造衛星,指的是一種人造產品,人類用火箭將其送到地球上空,讓它圍繞著地球,像衛星一樣運行(圖2)。人造衛星會持續繞飛地球,不會掉落。這是因為它正以不會掉下來的速度飛行。也就是說,那是一種可在落下前繞著地球旋轉的速度。

假設無視空氣阻力,在地上朝遠方投一顆球。愈用力投球,球就飛得愈遠,不過最後球還是會因重力而墜落。如果投球的力量夠大,或許球在掉落之前就能繞行地球一圈了(圖3)。這就是人造衛星的原理。

另外,人造衛星也會受到離心力作用的影響。雖說這種力量跟重力是反方向,但人造衛星卻能以取得重力與離心力兩者平衡的速度飛行,藉此構建出不會掉落的方法。克服重力,貼近地球表面卻不會落下的繞行速度為每秒7.9公里以上。這真是我們難以想像的速度。

日本氣象廳(類似台灣的中央氣象局)的氣象衛星「向日葵」,就是一款長期在日本上空觀測氣象的地球同步衛星。由於這種衛星以24小時為基準,向地球自轉的方向同步飛行一周,看起來就像時常處於相同位置靜止不動,所以又稱為地球靜止衛星。

以秒速7.9公里以上飛行的衛星不會掉落

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衛星圍繞行星飛行(圖2)

人造衛星正在繞行地球。一直在拍攝日本的地球同步衛星,是以與地球自轉轉速相同的速度繞行。

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球若能克服重力,就不會掉落(圖3)

假使沒有空氣阻力,並以每秒7.9公里以上的速度投球,那麼這顆球就能克服地球的重力,在地球上空繞圈飛行。

書籍介紹

本文摘錄自《圖解有趣的生活物理學:零概念也能樂在其中的99個實用物理知識》,台灣東販出版

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作者:川村康文
譯者:劉宸瑀、高詹燦

本書用最淺顯易懂的圖文搭配,講解奧妙的物理理論,透過作者淵博的物理知識,講解現代人最需要知道的物理與科技的關係,不論文組出身、初學者還是二次學習者都能讀懂、並且喜歡上物理的一本書,掌握物理,掌握未來!讓你明天就想暢聊的99個物理話題!

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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航