脫離速度計算機是什麼?
這個計算機運用牛頓萬有引力定律,計算兩個相關的數值。第一個是表面脫離速度:物體在天體表面要擺脫該天體重力所需的最低速度。第二個是太陽系脫離速度:從某天體的公轉軌道距離出發,要離開太陽系所需的速度(相對於太陽)。你可以選擇預設天體(從太陽到海王星,再加上月球以及糸川與穀神星兩顆小行星),系統會自動帶入物理數值,或者你也能自行輸入。這完全是物理計算,放諸宇宙皆準。
使用方式
從下拉選單中選取一個天體,它的質量 \(M\)(kg)、半徑 \(r\)(km)、軌道半長軸 \(R\)(AU)以及中心天體質量 \(M_c\)(kg)就會自動填入。任何欄位都可以自行修改。萬有引力常數 \(G\) 預設為 CODATA 數值 \(6.67430\times 10^{-11}\),也可以更改。按下計算,即可看到兩種脫離速度,並以 m/s 與 km/s 表示。
公式說明
把總機械能設為零,可得 \(\tfrac{1}{2}v^2 = \dfrac{GM}{d}\),因此
$$v = \sqrt{\dfrac{2GM}{d}}$$在表面情形下,\(d\) 是換算成公尺的天體半徑(\(r \times 1000\))。在太陽系情形下,\(M\) 改為中心天體質量 \(M_c\),而 \(d\) 則是換算成公尺的軌道距離(\(R \times 1.495978707\times 10^{11}\) m,即每 AU 的公尺數)。
實例演算:地球
當 \(M = 5.97237\times 10^{24}\) kg、\(r = 6371\) km 時,表面脫離速度為
$$\sqrt{\dfrac{2 \times 6.67430\times 10^{-11} \times 5.97237\times 10^{24}}{6.371\times 10^{6}}} \approx 11186 \text{ m/s} \approx 11.19 \text{ km/s}$$而在地球軌道處(\(R = 1\) AU、\(M_c = 1.9885\times 10^{30}\) kg),太陽系脫離速度為
$$\sqrt{\dfrac{2 \times 6.67430\times 10^{-11} \times 1.9885\times 10^{30}}{1.495978707\times 10^{11}}} \approx 42123 \text{ m/s} \approx 42.1 \text{ km/s}$$
常見問題
為什麼太陽的太陽系脫離速度顯示為 N/A?太陽並不繞著其他天體公轉,所以它的軌道半徑為零,這項計算因此無法定義。
脫離速度會受發射方向影響嗎?不會。因為它源自能量守恆,所以只跟速度大小有關,與方向無關(在忽略大氣與自轉的前提下)。
為什麼太陽系脫離速度比地球表面脫離速度大這麼多?太陽的質量遠遠超過地球,因此即使在 1 AU 的距離,要逃離它的重力井仍然需要快上許多的速度。