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ニュートンの大砲
全ページを開くこれは何だ? アイザック・ニュートンは、空から突き出るほど高い山の上に大砲を置いて、ボールをゆっくりと発射して下へ落とすことを想像しました。十分速く発射すると、ボールが落ちる速さで地面が曲がってしまいます。だから、ボールは着陸しません。これが軌道です。
使い方: スライダーまたはスピードボタンで発射速度を設定し、「撃つ」を押します。以前のショットは画面に残り、比較できます。
どれくらい速いの?
- あなたのショット
- ジェット旅客機、約900km/h(0.25km/s)
- ライフル弾 約1km/s
- 軌道速度
- 脱出速度
山は実際のものよりもずっと高く描かれています。空気抵抗を無視しています。
これを試してみて
- ジェット機を押して発射し ライフル弾を撃て注意: どちらも同時に下へ落ちる 非常に速い日常の物でも軌道に乗るには 遠くない
- 軌道速度を押して発射注意: ボールは回転しながら大砲に戻ってくる 落ち続けて地面を見失う これが国際宇宙ステーションの動き方だ
- 軌道速度より少し遅く発射して それから少し早く注意: ゆっくり: 下に曲がって、一周すると着地します。速い: 長い楕円形に伸びて遠くまで飛んで戻ります。
- 逃げるスピードを押して発射し、惑星を月に切り替えて。注意: 月の軌道速度は約1.6km/sである。
背後にある考え方は
なぜ軌道上のボールは落ちないのか。
いつも落ちてるEarth's surface curves downwards by about 5 metres for every 8 kilometres you travel, and anything dropped falls about 5 metres in its first second.So a ball moving sideways at about 8 kilometres per second falls 5 metres each second while the ground drops away by 5 metres.地面に近づくことはない
なぜそんなに高い山が?
地球では、ここにある山は高さが約510km(地球半径の8%)であり、国際宇宙ステーションが飛ぶよりも高い(約400km)ので、ボールはほとんど空気の上から出発します。空中では、抵抗が減少し、軌道速度に達する前にボールを熱くします。それが本物のロケットがまず空中から上昇して横方向に加速する理由です。
惑星の質量と大きさ NASAジェット機は時速900kmで飛行し、ライフル弾は銃身を出る速度が約0.7から1.2km/s、高速のものは約1km/sです。
データテーブル (テキスト代替)
円周速度より遅い場合: 後退します。 円周速度と脱出速度の間で: 軌道を回ります。脱出速度以上では: 永遠に離れます。
| 惑星 | 円軌道速度 | ここでスピードを落とす |
|---|---|---|
| 地球 | 7.61 km/秒 | 10.8 km/秒 |
| 月 | 1.62 km/秒 | 2.29 km/秒 |
| 火星 | 3.42 km/秒 | 4.84 km/秒 |
ボールを投げると戻ってくる 強く投げれば 決して落ちない 地球では、その速度は毎秒11.2キロメートルであり、それに到達するためにロケットが巨大なのです。

十分に速く投げれば 投げた物は戻らない
見て
ボールを上に投げると下に戻ってくる。 もっと速く投げれば 落ちる前に高く飛ぶ 戻ってこない速度はあるのか?
ああ そうだ これは 逃げるスピード 逃げる速度です 少なくともそこまで速く行け 何も遅らせないで 重力は決して引き戻すことはできない
| ワールド | 表面からの脱出速度 |
|---|---|
| 月 | 2.4 km/s |
| 火星 | 5.0 km/s |
| 地球 | 11.2 km/s |
| ジュピター | 59.5 km/s |
| 日 | 617.6 km/s |
The Moon’s escape speed is less than a quarter of Earth’s. 月が宇宙に物を打ち上げるための有用な場所となる理由の一つである。
大砲ツールでは月が装填されている。 読み出しに表示されている逃走速度よりも低い速度と高い速度を試してください。
理解
脱出は物体の運動エネルギーが重力井戸から完全に抜け出すのに十分なとき起こる。 運動エネルギーを無限大に達するためのエネルギーと同じに設定:
½ v² = μ / r ⇒ v_escape = √(2μ/r)
円周速度√(μ/r)と比較すると,脱出速度は常に一定である。 √2 ≈1.414倍 同じ距離での円周速度です
Two important facts:
- あなたの質量には依存しない。 小石と宇宙船は同じ速度を必要とする。 (宇宙船はもちろん もっとエネルギーが必要だ)
- どこから始めるかによる 遠く離れたところでは,rは大きくなり,逃走が容易になる。 From the height of geostationary orbit, Earth’s escape speed is only about 4.3 km/s.
ロケットは実際に 地上で11.2km/sまで発射しない 彼らはエンジンが押し続ける間に ずっと上昇している 逃走速度とは、砲弾のような無動力物体に必要な速度である。
マスター
In terms of specific orbital energy ε = v²/2 − μ/r, escape means ε ≥ 0. ε=0のとき,経路は放物線であり,速度は無限大で零に向かう。 これよりも速い場合、経路は双曲線であり、物体は遠くに残りの速度を保持します。双曲線過剰速度 v∞:
v² = v∞² + v_escape², C₃ = v∞²
ミッションプランナーは発射エネルギーをC₃(km²/s²)としている。 For a Mars transfer, v∞ at departure is about 2.9 km/s, so C₃ ≈ 8.7 km²/s².
この関係は宇宙飛行における最も有用な効果の一つである,宇宙空間内の流れ場を表す。 オバース効果すでに速く動いている重力井戸の深いところで焼かれると、遠くから同じように焼かれた場合よりもv∞が多く得られる。 From a 200 km parking orbit around Earth (circular speed 7.78 km/s, escape speed 11.0 km/s), reaching v∞ = 2.9 km/s needs only about 3.6 km/s of engine burn, not 3.2 + 2.9 = 6.1 km/s. デルタvマップは 低軌道から離脱するときに これを使う
やってみろ
月の上では、読み出しに表示されている逃走速度のちょうど下で発射し、それからちょうど上です。二つの経路を比較します。地球と火星で同じことを試してみろ
素晴らしい 挑戦は学習の始まりだ
クイッククイズ
3 簡単な質問です 正解を選んでみてください
-
地球の表面からの脱出速度は約:
- A 7.9 km/s
- B 11.2 km/s
- C 29.8 km/s
- D 617 km/s
答えを表示
B. 11.2 km/s
-
同じ距離における円軌道速度の何倍かである。
- A 2
- B √2(約1.41)
- C 1/2
- D π
答えを表示
B. √2(約1.41)
-
脱出速度は発射される物体の質量に依存するか。
- A 重い物体には もっと必要だ
- B はい、より軽い物体にはより多くが必要です
- C いや、惑星の質量と起点からの距離だけで
- D 大気中のみ
答えを表示
C. いや、惑星の質量と起点からの距離だけで
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ソース
- NASA JPL, Basics of Space Flight, Chapter 3: Gravity and Mechanics
- NASA NSSDCA Planetary Fact Sheet (escape velocities)
- JPL SSD: Planetary Physical Parameters
- NASA NSSDCA Sun Fact Sheet
このレッスンはライセンス CC BY-SA 4.0 である。