衛(wèi)星為什么掉不下來

席金合

你站在地面上扔一個球，由于受到地球引力作用，球飛一段距離就落回地面，飛行路線是弧線。如果你扔的力氣小，球飛行速度小，會在近處落下來；如果你扔的力氣再大一點，球飛行速度會更大，會飛到更遠(yuǎn)的地方才落地。如果有一位超級大力士能把球以7.9千米/秒的速度扔出，那么球的飛行路線會正好與地面平行。這時，奇跡就發(fā)生了，球不落下來，而是圍繞地球轉(zhuǎn)，并一直這樣運行，就像地球的一顆小衛(wèi)星。

說到這里，你肯定感覺7.9千米/秒這個速度太神奇了。是的，在理想狀態(tài)下，地球的衛(wèi)星無需燃料提供動力，就能以這個速度自行圍繞地球永不停息地運轉(zhuǎn)。即使衛(wèi)星飛到最后散架了，分裂成許多碎片，這些碎片依然能沿著原來的軌道飛行，變成人們常說的太空垃圾。

對于一個物體來說，如果它的速度達(dá)到7.9千米/秒且它不受其他外力作用，它就不會落回地面；如果它的速度再增加到一定值，它會永遠(yuǎn)離開地球，變成與地球并行的“兄弟”，共同圍繞太陽轉(zhuǎn)……7.9千米/秒這個速度可以說是地面物體進入宇宙的第一道“門檻”，所以被稱為第一宇宙速度。

道理說起來簡單，做起來卻很難。子彈和炮彈出膛速度夠快吧？其實，它們這時的速度一般小于2千米/秒。所以，發(fā)射衛(wèi)星時，人類必須用大推力火箭幫忙，使其達(dá)到第一宇宙速度后入繞地軌道，衛(wèi)星便會按要求自動運行。

人們認(rèn)為扔出去的東西掉下來是天經(jīng)地義的事，這是因為人們長期生活在地球上形成了思維定式。如果在太空中，一個被扔出去的物體并不會落下。當(dāng)它在地球附近且速度達(dá)到第一宇宙速度時，它會一直環(huán)繞地球運行（忽略大氣阻力等因素），這就是衛(wèi)星不會掉下來的原理。

看到這里，也許你要問第一宇宙速度為什么是7.9千米/秒，而不是別的數(shù)值。這個問題很復(fù)雜，涉及深奧的力學(xué)知識。如果我用一句話簡單回答，那就是——這個數(shù)值與地球的質(zhì)量、萬有引力常數(shù)、半徑直接相關(guān)，與半徑成反比。等你考上高中后，物理老師會講得一清二楚，還能教你運用有關(guān)數(shù)據(jù)推算出這個數(shù)值。到時候，你會領(lǐng)悟科學(xué)的奇妙和有趣。

最后，值得一提的是，在現(xiàn)實世界里，一般情況下，衛(wèi)星的速度略小于7.9千米/秒。為什么呢？上文提到計算第一宇宙速度的公式中有半徑這個因素。第一宇宙速度指一個物體貼著海平面飛行（不考慮空氣升力和阻力）時不落回地面的速度。實際情況下，沒有一顆衛(wèi)星能以如此快的速度貼著海平面飛行，人們需要將它發(fā)射到100千米以上的區(qū)域。這時，半徑變大，衛(wèi)星的速度也就要變。

從2021年6月17日至今，我們的天宮空間站已經(jīng)迎來了兩批“居民”。天宮空間站每天繞地球運行約15圈，約1.5小時繞一圈，速度約為7.68千米/秒。細(xì)心的你肯定發(fā)現(xiàn)了，這個速度也略小于第一宇宙速度。天宮空間站的飛行高度為383.7千米～393.7千米，它繞地球運行的軌道半徑比地球半徑略大，所以速度自然不等于7.9千米/秒。