什麼是軌道速度?
軌道速度,指的是一個物體要維持在較大天體周圍穩定圓形軌道上所必須具備的速度,例如環繞地球的衛星,或環繞太陽的行星。在這個速度下,中心天體的重力恰好提供物體繞行所需的向心力。速度太慢,物體就會往內墜落;速度太快,則會脫離軌道飛離而去。
計算公式
對於圓形軌道,軌道速度為
$$v = \sqrt{\dfrac{G \cdot \text{Mass (kg)}}{\text{Radius (m)}}}$$其中 G 為萬有引力常數(\(6.674 \times 10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2\)),M 為中心天體的質量(單位:公斤),r 為軌道半徑(單位:公尺,須從中心天體的中心點量起,而非其表面)。計算結果以每秒公尺(m/s)表示。至於軌道週期——也就是繞行一圈所需的時間——可由 \(T = 2\pi r / v\) 求得。
使用方法
輸入中心天體的質量(以地球為例,約 \(5.972 \times 10^{24}\ \text{kg}\))與軌道半徑。你可以使用科學記號輸入,例如 5.972e24。計算器會回傳以 m/s 與 km/s 表示的速度,以及以秒為單位的軌道週期。
實例演算
假設有一顆衛星在地球表面半徑高度上運行,\(r = 6.371 \times 10^{6}\ \text{m}\),\(M = 5.972 \times 10^{24}\ \text{kg}\)。則
$$v = \sqrt{\dfrac{6.674\mathrm{e}{-11} \times 5.972\mathrm{e}{24}}{6.371\mathrm{e}{6}}} \approx \sqrt{6.256 \times 10^{7}} \approx 7{,}910\ \text{m/s}$$約等於 7.91 km/s。這與眾所周知的低地球軌道速度(約 7.9 km/s)相當接近。
常見問題
半徑是從天體表面量起的嗎?不是——半徑須從中心天體的中心點量起。若計算低軌道,請將天體的半徑加上軌道高度。
這個公式假設軌道為圓形嗎?是的。此公式給出的是完美圓形軌道的速度。橢圓軌道的速度會隨位置變化,須以活力公式(vis-viva equation)描述。
那逃逸速度呢?在相同半徑處,逃逸速度是圓形軌道速度的 \(\sqrt{2}\) 倍。