衛星為什么掉不下來？

湖北省襄陽市襄州區黃集鎮中心學校 尹濤

我們知道，飛機在飛行過程中，機翼能像鳥的翅膀那樣，借助空氣把機身托在空中。而衛星沒有翅膀，卻能夠在沒有空氣的太空中安然飛行，它為什么不會掉下來呢？

要說明這個問題，我們不妨想象一下：如果站在高山上水平扔皮球，由于受到地球引力的作用，皮球飛行一段距離就會落到地上，整個飛行路線是彎曲的弧線。如果扔的力氣小，皮球飛行的速度就慢，會飛到近處落下來，飛行路線的彎曲程度就大；如果扔的力氣大，皮球飛行的速度就快，會飛到更遠的地方才落地，飛行路線的彎曲程度就小。

假如有一位大力士，能將皮球以7.9 千米/秒的速度扔出，那么皮球的飛行路線的彎曲程度，就正好與地球表面的弧度相同，也就是飛行路線近似地球的圓周。這個時候，奇跡就發生了，球不會落下來了。在沒有任何力量托舉它的情況下，它會在超低空圍繞地球旋轉，并一直這樣運行下去，相當于一個小衛星。

說到這里，大家一定會感到這個7.9 千米/秒的速度很神奇。是的！衛星等所有太空飛行器，無需燒一滴油來提供動力，就能以這個速度，自行沿著環繞地球的軌道，永不停息、不知疲倦地運轉，比飛機和火箭節能得多，而且沒有污染排放。即使衛星飛到最后散架了，裂成許多殘片，它們照樣沿著原來的軌道飛行，這就是人們常說的“太空垃圾”。要想讓太空垃圾為其他飛行器騰出軌道，只有設法使其速度降到7.9 千米/秒以下，這樣它們才能落入大氣層被燒毀。由于速度7.9 千米/秒是地面物體進入宇宙的第一道“門檻”，所以它被稱為“第一宇宙速度”，亦稱“環繞速度”。

看來，不論什么物體，只要速度能達到第一宇宙速度，并在高空水平飛行（不考慮阻力），就不會從天上掉下來，可以扮演衛星的角色。可是，道理雖簡單，做起來卻很難。要讓物體的速度達到7.9 千米/秒，并不容易。豈不知，出膛的子彈和炮彈速度，通常也不超過2 千米/秒。所以，發射衛星時必須用大推力火箭來加速，使其達到第一宇宙速度后，送入繞地軌道，此后不用再施加動力，衛星也能自動運行。

人們總是認為，扔出去的東西掉下來是天經地義的事，這是人們長期生活在地球上形成的習慣性認識。如果是在太空環境，扔出去的東西都會沿著扔出的方向勻速直線飛行，不拉住它，它就會遠離扔者而去，絕不可能往下掉。所以，宇宙中遠離地球的絕大多數地方，扔出去的東西向“天”外飛去才是正常的。

但有一點必須明白，掉不下來并不等于不往下掉。正常飛行的衛星，實際上是不停地往下掉，只不過下落的路線是一條繞地運行的圓形軌道。因為衛星以第一宇宙速度飛行，基于自身慣性，它每時每刻都想掙脫地球飛出去。這種掙脫的力量，剛好與地球引力達成平衡。所以，衛星是在地球引力作用下圍繞地球旋轉。就跟用繩子拴著石子掄著玩，手通過繩子牽著石子在空中轉圈的道理一樣。因此，衛星運行時無需發動機提供動力，只要有地球引力就足夠了。

說到這里，也許有人會問：衛星環繞地球表面飛行的速度為什么是7.9 千米/秒，而不是別的速度呢？這個問題很復雜，牽扯到很深的力學原理。如果用一句話簡單地概括，則它是由地球的質量和半徑決定的。至于其中的來龍去脈，高中物理課程中講得一清二楚，并且還會教大家運用相關數據，推算出這個速度的數值。整個推算過程，會讓你領略到科學知識的奇妙和有趣。

最后，值得一提的是：衛星正常運行的速度不全是7.9 千米/秒，有的稍高于這個值。不過，這樣衛星會有掙脫地球的危險。對于這種情況，航天科學家會把衛星軌道設計得低一點，因為衛星離地球越近，受到的引力就越大，這樣才能把衛星拉住。這么做還有一個好處，能讓衛星分層運行，避免碰撞。另外，如果衛星的速度高于第一宇宙速度，那么衛星運行的軌道將不再是圓形，而是橢圓形，這就意味著軌道上有近地點和遠地點，在近地點衛星速度很大，超過第一宇宙速度，在遠地點速度就較小。

然而，衛星速度再大，也不能達到11.2千米/秒。不然的話，它會脫離地球飛向太空。若衛星速度等于或大于11.2 千米/秒，但小于16.7 千米/秒，它會沿一條拋物線脫離地球的引力場而成為圍繞太陽運行的衛星，因此11.2 千米/秒被稱為“第二宇宙速度”，亦稱“逃逸速度”。若衛星速度再達到16.7 千米/秒，它會飛出太陽系，到浩瀚的銀河系中漫游。這一速度被稱為“第三宇宙速度”，亦稱“脫離速度”。此外，還有“第四宇宙速度”，即衛星脫離銀河系而進入河外星系的速度，這個速度在110～120 千米/秒之間。

到現在，你應該已經知道衛星掉不下來的原因了，而且對航天器的發射和運行也有了一定的了解。歸根結底，它們都是建立在萬有引力定律的基礎之上。1687年，牛頓第一次提出了萬有引力定律，這是17 世紀自然科學最偉大的成果之一。它將地面上物體運動的規律和天體運動的規律統一了起來，對此后物理學和天文學的發展具有深遠的影響。哈雷彗星、海王星、冥王星的發現，太陽、地球等無法直接測量的天體質量的計算，地球上的潮汐現象的解釋等，都是應用萬有引力定律取得的重大成就。同學們，你們不僅要學習和應用好這些科學知識，還要像牛頓一樣，保持一顆探索之心，做自然規律的發現者。