上がったものは、時々下がるにちがいない…しかし、常にではありません。脱出速度で移動するオブジェクトは、重力によって地球に落下しなくなりました。
プレイグラウンドの緊張感は明白でした。両チームの選手は向かい合って立ち、手をつないで破られない鎖を形成しました。名前が呼ばれ、Aチームから選ばれた選手が登場。チームBは攻撃に備えた。このプレイヤーが腕の連鎖を打ち破ることができれば、チーム A が勝利します。
集中力に眉をひそめ、決意に燃える顔で、プレイヤーはダッシュした…
脱出速度を達成することは、おそらく、宇宙旅行中と同じように遊び場でも困難でした!
脱出速度を理解するための簡単なゲーム (写真提供:ANTSTUDIO/Shutterstock)
重力に関する一般的な理解は、足元の地面との関係に限られています。重力は私たちを地球 (私たちの体重として経験する力) に引き寄せ、地球を私たちに引き寄せようとします。ただし、地球の巨大なサイズにより、私たちに向かっての動きは感知できなくなります。つまり、地球を少し引き寄せても、地球の質量がはるかに大きいため、気付かれません。物体の質量が大きければ大きいほど、それを動かすのは難しくなります。これは、ニュートンの運動の第 1 法則で説明されている現象です。
地球から空中に放り出された数学の本は (どんなに喜んでも) 地球の引力から抜け出すのに十分なエネルギーを持っていないため、下に落ちます。本を高く投げると、本は最終的に地球に戻る前により多くの時間を空中で過ごしますが、戻ってきます。上昇するものは下降しなければなりませんよね？しかし、それがいつもの場合、人工衛星やロケットはどうやって地球に落ちずに静止しているのでしょうか?
重力から逃れる方法
思考実験の一環として、ニュートンが木の下に静かに座って宇宙の謎を解読しようとしているところを想像してみましょう。彼は突然リンゴで頭を打たれました。ニュートンは頭の上に落ちたリンゴを天に向けて放り投げる。しかし、ニュートンにはひらめきがあります！彼が空中に放り投げたリンゴは、降下を引き起こす重力と、減速させる大気摩擦がなければ、無限に移動するでしょう。
ニュートンは、リンゴを落下させた重力が、地球とその構成要素を超えて、月や他の惑星にまで届くのではないかと考えました。彼は、物体が地面に落ちることと、太陽の周りの惑星の動きの両方が同じ原理で説明できると提案しました.
ニュートンの洞察により、万有引力の法則が定式化されました。 (写真提供:Fargon/Shutterstock)
ニュートンは、オブジェクトが十分な速度で地球の表面から投影された場合、オブジェクトを地球から宇宙に送ることが可能になることに気付きました.脱出速度として知られているこれは、物体が別の物体の重力のグリップから解放され、後退することなく無限に移動できるようにする最小速度です。では…物が戻ってこないようにするには、どれだけ強く空に投げ上げなければならないのでしょうか?
井戸の底に閉じ込められたと想像してください。逃げるためには、登るエネルギーを消費する必要があります。脱出速度は、井戸の口に到達するために必要な正確なエネルギー量の尺度です。
「第 2 宇宙速度」とも呼ばれ、地球からの脱出速度は約 11.2 km/s です。与えられた速度で、宇宙へ移動するように設計された宇宙船は、地球や他の天体の周りを周回することができます。このような軌道から抜け出すには、より大きな速度が必要です。 「宇宙速度」という用語は、宇宙旅行に関連する重要な速度を表すためにロシアの科学者によって造られました。
地球から逃げるロケット (写真提供:Nasky/Shutterstock)
軌道速度として知られる「第一宇宙速度」により、発射体が宇宙体の周りを回転します。軌道速度よりも遅い速度で移動しているより遅い発射体は、徐々にではありますが、地球に戻ります。ただし、宇宙船は宇宙に移動するために脱出速度に達する必要はありません。
地球を周回する国際宇宙ステーション (ISS) は、約 7.9 km/s の速度で巡航しています。エンジンを止めた状態では、永久に自由落下している状態ですが、落下しない程度の速さで地球の周りを回っています。
これは、ヨーヨーの回転動作に似ています。回転するオブジェクトには角運動量が関連付けられていますが、ヨーヨーの軸の周りのストリングは、提供された運動量のために直線的に移動しないように、常にヨーヨーを引き込んでいます。これと同様に、地球の重力が ISS をその軌道に保ち、地球の周りを公転し続けます。
地球を周回する国際宇宙ステーション (写真提供:Dima Zel/Shutterstock)
アインシュタインは、一般相対性理論の中で、重力は質量間の力ではなく、質量の存在によって引き起こされる時空構造の歪みであると仮定しました。紙がねじれると、紙に描かれた線がまっすぐに見えなくなるのと同じように、時空がゆがむと、物体のまっすぐな経路も曲がってしまいます。重力は、すべての物体の直線経路が地球の近くで同じように曲がるような方法で時空をゆがめるため、すべての物体は同じ速度で落下します。
これは、脱出速度に関して重要な意味を持ちます。重力場に関連する脱出速度が光速に近づく場合、重力場は強いと見なされます。脱出速度が小さいほど、磁場が弱いことを示します。低速で弱い重力場の場合、一般理論とニュートン理論から得られる結果はほぼ同じです。
ブラック ホールからの脱出?
脱出速度は、重力に取って代わられるオブジェクトの質量と、そのオブジェクトの重心までの距離という 2 つのパラメーターに依存します。地球の重力から解放されるには、ロケットは 11.2 km/s まで加速する必要がありますが、地球と同じ質量で直径の半分の惑星から脱出するには、脱出速度が異なる必要があります。直径が半分になるため、惑星の表面から重心までの距離が短くなり、脱出速度が速くなります。
シュヴァルツシルト半径として知られる臨界半径では、重力質量は光速に等しい脱出速度を持ちます。 18 世紀に、ニュートンの万有引力の法則を使用して、ジョン ミッシェルは、十分に質量のある星の表面から出る光は逃げることができないと提案しました。
ミシェルの計算では正確な推定はできませんでしたが、ほぼ 1 世紀後、カール シュヴァルツシルトは、物体がシュヴァルツシルト半径を超えて崩壊すると、ブラック ホールになる運命にあることを示しました。力。したがって、ブラック ホールの強い引力から逃れるには、光速を超える脱出速度が必要です。
光でさえブラック ホールから逃れることはできません (写真提供:Nasky/Shutterstock)
私たちは皆、時には持ち上げられる必要があります
脱出速度の概念は鳥や飛行機にも当てはまるのでしょうか?ヘリウム風船はどうですか?
答えは次のとおりです。脱出速度が必要になるのは、物体が別の物体の重力から離れようとしているときだけです。簡単に言えば、飛行機は地球から脱出しようとしないので、飛行のために脱出速度を達成する必要はありません。地球の周りの軌道にある必要もありません。
ただし、これは、飛行を続けるために、翼とエンジンを使用して揚力を発生させることにより、重力による下向きの加速を常に克服しなければならないことを意味します。
鳥も同じ原理を利用して飛行を維持しており、翼の上下に低圧と高圧を発生させて揚力を得ることができます。ここで重要な要素は空気の存在です。これがなければ、気圧の変化を引き起こし、揚力を生み出すことはできません。
飛行中のカモメ (写真提供者:2020)
ヘリウム風船には、空気より軽いヘリウムが入っています。重いガス（密度が高い）が軽いガス（密度が低い）と相互作用すると、軽いガスが上に浮かびます。ヘリウム風船は、風船の内側の空気の密度が外側の空気の密度と等しくなる大気の高度に達するまで、空中を上昇します。これにより、必要なリフトが生成されます。
少なくとも理論的には、物体は脱出速度以外の速度で移動しても、惑星の重力場から完全に持ち上げることができる可能性があります。脱出速度は、推進力のないオブジェクトのみに対して定義されています。つまり、脱出速度で移動するオブジェクトは、脱出するのにそれ以上の推進力は必要ありません。
脱出速度よりも遅い速度で地球を出るには、飛行の全期間にわたって重力を克服するために物体に継続的なブーストを提供する必要があります。宇宙船の場合、これは、地球の重力に対抗するための継続的な推力を維持するための複数のブースター ロケットによる外部サポートを意味します。この推力は、言葉では言い表せないほど大量の燃料の燃焼によって生成されます。これは推進剤の膨大な浪費であるだけでなく、このような膨大な量の燃料を搭載しながら、この方法で地球から脱出したり、軌道に到達したりすることは非常に非現実的です.
重力は、距離が長くなるにつれて引き力が弱くなっても、いたるところに影響を与え続けます。 より高く移動すると、その影響範囲が縮小するだけですが、完全に逃れることはできません。ただし、少しの運と適切な速度があれば、サイレン コールを回避できる可能性があります!
