Trang này được dịch bằng máy và có thể chứa lỗi. Giúp tôi cải thiện nó Đọc bản gốc tiếng Anh
  1. Học
  2. Trình duyệt
Trình duyệt · Mô- đun 5

Escape velocity

How fast do you need to go to leave a world for good? And why rockets do not actually need to reach it at the surface.

12 phút

NASA/JPL/Space Science Institute

Đang chờ đánh giá chuyên gia. Bài học này được viết với sự trợ giúp của AI và chưa được kiểm tra bởi một người đánh giá có năng lực. Are you qualified in this subject? Suggest an edit

Súng trường Newton

Mở toàn trang

Tốc độ phóng
Tốc độ quỹ đạo tròn ở đây
Tốc độ trốn thoát ở đây

Núi được vẽ cao hơn bất kỳ núi nào thật để bạn có thể thấy nó.

Bảng dữ liệu (đơn vị thay thế)

Chậm hơn vận tốc vòng tròn: nó sẽ rơi lại. Giữa vận tốc vòng tròn và chạy thoát: nó sẽ quay quanh quỹ đạo. Với hoặc trên vận tốc chạy thoát: nó sẽ rời đi vĩnh viễn.

Tốc độ cần thiết ở đỉnh núi
Hành tinhTốc độ quỹ đạo tròn ở đâyTốc độ trốn thoát ở đây
Trái Đất7,61 km/s10,8 km/s
Mặt Trăng1,62 km/s2,29 km/s
Sao Hỏa3,42 km/s4,84 km/s

Throw a ball up and it comes back. Throw it hard enough and it never does. On Earth, that speed is 11.2 kilometres every second, and reaching it is why rockets are so enormous.

The Artemis I rocket lifting off at night in a blaze of light.
Artemis I lifts off from Kennedy Space Center, 16 November 2022. Credit: NASA/Bill Ingalls

Fast enough, and a thrown object never comes back.

Look

Throw a ball upwards and it comes back down. Throw it faster, it goes higher before falling back. Is there a speed so fast that it never comes back?

Yes. It is called the escape speed (or escape velocity). Go at least that fast, with nothing slowing you down, and gravity can never pull you back.

WorldEscape speed from the surface
Moon2.4 km/s
Mars5.0 km/s
Earth11.2 km/s
Jupiter59.5 km/s
Sun617.6 km/s

The Moon’s escape speed is less than a quarter of Earth’s. That is one reason why the Moon could be a useful place to launch things into space from.

In the cannon tool, the Moon is loaded. Try speeds below and above the escape speed shown in the readout.

Understand

Escape happens when the body’s kinetic energy is enough to climb out of the gravitational “well” completely. Setting kinetic energy equal to the energy needed to reach infinity:

½ v² = μ / r  ⇒  v_escape = √(2μ / r)

Compare with the circular speed √(μ/r): escape speed is always √2 ≈ 1.414 times the circular speed at the same distance.

Two important facts:

  1. It does not depend on your mass. A pebble and a spaceship need the same speed. (The spaceship needs much more energy, of course.)
  2. It depends on where you start. Farther out, r is bigger and escape is easier. From the height of geostationary orbit, Earth’s escape speed is only about 4.3 km/s.

Rockets never actually fire up to 11.2 km/s at the ground. They climb steadily while their engines keep pushing. Escape speed is the speed needed for an unpowered object, like the cannonball.

Master

In terms of specific orbital energy ε = v²/2 − μ/r, escape means ε ≥ 0. At exactly ε = 0 the path is a parabola and the speed tends to zero at infinity. Faster than that, the path is a hyperbola and the object keeps a leftover speed far away, the hyperbolic excess speed v∞:

v² = v∞² + v_escape²,   C₃ = v∞²

Mission planners quote launch energy as C₃ (km²/s²). For a Mars transfer, v∞ at departure is about 2.9 km/s, so C₃ ≈ 8.7 km²/s².

This relation hides one of the most useful effects in spaceflight, the Oberth effect: a burn made deep in a gravity well, where you are already moving fast, buys more v∞ than the same burn made far away. 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. The Delta-v Map uses this for every departure from low Earth orbit.

Thử đi.

On the Moon, fire at a speed just below the escape speed shown in the readout, then just above. Compare the two paths. Then try the same on Earth and Mars.

Thử thách nhanh

3 quick questions. Pick an answer to see if you are right.

  1. Earth's escape speed from the surface is about:

    1. A 7.9 km/s
    2. B 11.2 km/s
    3. C 29.8 km/s
    4. D 617 km/s
    Show the answer

    B. 11.2 km/s

  2. Escape speed is how many times the circular orbit speed at the same distance?

    1. A 2
    2. B √2 (about 1.41)
    3. C 1/2
    4. D π
    Show the answer

    B. √2 (about 1.41)

  3. Does escape speed depend on the mass of the object being launched?

    1. A Yes, heavier objects need more
    2. B Yes, lighter objects need more
    3. C No, only on the planet's mass and the starting distance
    4. D Only in an atmosphere
    Show the answer

    C. No, only on the planet's mass and the starting distance

Finish line

  • Played with the interactive
  • Read the lesson
  • Did the challenge
  • Took the quiz

Mark the lesson complete to save it to your progress on this device.

Từ trong bài học này

Nguồn

Bài học này được cấp phép CC BY-SA 4.0.

Công cụ và bài học chỉ dùng mô hình đơn giản để học. Chúng không được dùng cho định hướng, kế hoạch nhiệm vụ hay bất kỳ quyết định hoạt động nào. Chứng nhận là miễn phí và không được công nhận. Đọc bản tuyên bố nội dung giáo dục