Bài viết này dựa trên câu trả lời cho câu hỏi của cư dân mạng: Phải mất bao lâu để một người trưởng thành đi bộ từ Trái Đất lên Mặt Trăng?
Đây là một câu hỏi ngớ ngẩn. Một người trưởng thành không bao giờ có thể bước ra khỏi trái đất chỉ bằng hai chân, vậy làm sao họ có thể bước lên mặt trăng? Nhưng nếu chúng ta hiểu đó là khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng, dựa trên tốc độ đi bộ của con người, thì mất bao lâu để đi được một quãng đường dài như vậy? Đây là một bài toán đơn giản ở cấp tiểu học.
Khoảng cách trung bình giữa Trái Đất và Mặt Trăng là 384.000 km. Người lớn có thể đi bộ khoảng 4 km một giờ với tốc độ vừa phải. Nếu tính theo giờ làm việc mỗi ngày thì đi bộ trong tám giờ sẽ là 32 km. Quá trình này sẽ mất 12.110 ngày, tương đương khoảng 365,25 ngày mỗi năm hoặc khoảng 33,16 năm. Thời gian đi bộ có thể được điều chỉnh theo tình hình thực tế dựa trên tốc độ đi bộ của mỗi người và thời gian họ đi bộ mỗi ngày.
Nhưng mục đích của việc giải một bài toán cấp tiểu học như vậy là gì?
Nếu con người muốn rời khỏi trái đất, trước tiên họ phải chiến thắng được lực hấp dẫn của trái đất. Cách để vượt qua nó là tốc độ. Thiết bị hiện nay chủ yếu được sử dụng là tên lửa. Tên lửa bay thường phải đạt tới một trong ba tốc độ vũ trụ tùy thuộc vào điểm đến. Ba vận tốc vũ trụ là gì? Đây là tốc độ mà các nhà khoa học đã tính toán để chống lại lực hấp dẫn dựa trên lực hấp dẫn của Trái Đất.
Vận tốc vũ trụ cấp một là 7,9 km/giây. Khi đạt đến tốc độ này, nó có thể chống lại lực hấp dẫn của Trái Đất và quay quanh Trái Đất ở một độ cao nhất định. Nó sẽ không bị lực hấp dẫn của Trái Đất kéo xuống, cũng không thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất và bay đi. Vì vậy, nó còn được gọi là vận tốc quỹ đạo; vận tốc vũ trụ thứ hai là 11,2 km/giây. Khi đạt được tốc độ này, con người có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất và bay tới các hành tinh khác. Vì vậy, nó còn được gọi là vận tốc thoát ly; vận tốc vũ trụ cấp ba là 16,7 km/giây. Khi đạt đến tốc độ này, chúng ta có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của Mặt trời tại vị trí của Trái đất và bay ra khỏi hệ Mặt trời. Vì vậy, nó còn được gọi là vận tốc thoát ly.
Ngoài ra còn có vận tốc vũ trụ thứ tư, đó là tốc độ thoát khỏi Ngân Hà, nhưng tôi sẽ không đề cập đến điều đó ở đây.
Trên thực tế, vận tốc vũ trụ thứ hai chính là vận tốc thoát ly của Trái Đất, tức là tốc độ có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất. Dựa trên vị trí của Trái Đất trong hệ mặt trời và mối quan hệ của nó với Mặt Trời và các hành tinh khác trong hệ mặt trời, chúng ta có thể tính toán rằng phạm vi ảnh hưởng hấp dẫn của Trái Đất (bán kính thiên văn Hill) là khoảng 1,5 triệu km. Nghĩa là, trong phạm vi này, nếu bạn không đạt tới tốc độ vũ trụ thứ hai, cuối cùng bạn sẽ bị Trái Đất kéo lại.
Mặt trăng cách Trái đất 384.000 km, do đó nó vẫn nằm trong vòng tròn hấp dẫn của Trái đất, do đó Mặt trăng chịu lực hấp dẫn của Trái đất kéo để quay quanh chính nó. Do đó, nếu con người muốn du hành đến Mặt Trăng, tốc độ cần phải đạt giữa vận tốc vũ trụ thứ nhất và vận tốc vũ trụ thứ hai, thường là khoảng 10 đến 11 km/giây.
Đường đến Mặt Trăng không phải là đường thẳng, vì Trái Đất quay quanh trục và Mặt Trăng cũng quay quanh trục. Để đạt được tốc độ cao hơn, tàu vũ trụ phải quay quanh Trái Đất nhiều lần để tăng đến tốc độ đã định trước. Do đó, khoảng cách thực tế di chuyển khi phóng tàu vũ trụ lên Mặt Trăng lớn hơn rất nhiều so với 384.000 km.
Nếu bạn di chuyển với tốc độ 11,2 km/giây, bạn sẽ mất chưa đầy 10 giờ để đi được 384.000 km. Nhưng trên thực tế, tất cả các tàu vũ trụ đều phải bay tới Mặt Trăng trong nhiều ngày.
Ví dụ, tàu vũ trụ có người lái Apollo 11 được phóng vào lúc 9:32 sáng ngày 16 tháng 7 năm 1969 và không đến gần Mặt Trăng cho đến ngày 19 tháng 7. Nó hạ cánh xuống bề mặt Mặt Trăng lúc 8:17:43 tối ngày 20 tháng 7. Tàu Hằng Nga 5 của nước tôi, được phóng vào ngày 24 tháng 11 năm 2020, cũng mất 4 ngày và đến quỹ đạo Mặt Trăng vào ngày 28 tháng 11.
Tốc độ của một tàu vũ trụ phóng lên mặt trăng chắc chắn có thể nhanh hơn, thậm chí vượt qua tốc độ vũ trụ cấp ba, nhưng việc phanh sau khi đến mặt trăng sẽ khó khăn hơn, khoảng cách phanh sẽ dài hơn và tiêu tốn nhiều nhiên liệu phanh hơn, không đáng giá. Vì vậy, tốc độ phù hợp là kinh tế và hiệu quả nhất.
Công thức tính lực hấp dẫn là: F=GMm/r^2, trong đó F biểu diễn độ lớn của lực hấp dẫn, G biểu diễn hằng số hấp dẫn, M và m biểu diễn khối lượng của hai bên chịu tác động của lực hấp dẫn, và r là khoảng cách giữa các tâm khối lượng của hai bên chịu tác động của lực hấp dẫn. Từ công thức lực hấp dẫn, ta có thể thấy rằng độ lớn của lực hấp dẫn tỉ lệ thuận với khối lượng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Điều này có nghĩa là khoảng cách càng lớn thì lực hấp dẫn giảm càng nhanh.
Do đó, cái gọi là ba tốc độ vũ trụ chính là tốc độ mà bề mặt Trái Đất cần đạt được để rời khỏi Trái Đất. Ở vị trí này trên mặt trăng, tốc độ cần thiết để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất nhỏ hơn nhiều. Theo công thức vận tốc vũ trụ thứ hai v=√(2GM/R), tốc độ "v" cần thiết để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất ở khoảng cách xa như vậy so với Mặt Trăng chỉ là hơn 1,44 km/giây một chút.
Nhưng nếu bạn đến gần Mặt Trăng, bạn sẽ bị lực hấp dẫn của Mặt Trăng kéo lại, và khi đó lực hấp dẫn của Mặt Trăng tác dụng lên bạn sẽ lớn hơn lực hấp dẫn của Trái Đất. Vận tốc thoát khỏi bề mặt Mặt Trăng là 2,37 km/giây và tốc độ quỹ đạo phải đạt khoảng 1,7 km/giây. Do đó, khi đến gần Mặt Trăng, bạn cần đạt tốc độ hơn 1,7 km/giây để tránh bị Mặt Trăng kéo xuống và tốc độ hơn 2,3 km/giây để thoát khỏi lực hấp dẫn của Mặt Trăng.
Ba vận tốc vũ trụ chỉ đề cập đến tốc độ ban đầu trên bề mặt Trái Đất có thể chống lại lực hấp dẫn của Trái Đất. Nhiều bạn luôn không thể giải quyết được vấn đề này, và thường hỏi nếu luôn có nhiên liệu để duy trì tốc độ, liệu có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất mà không đạt tới ba tốc độ vũ trụ hay không? Câu trả lời của tôi là: Tất nhiên rồi.
Nhưng vấn đề là điều này đòi hỏi phải tiêu thụ một lượng nhiên liệu rất lớn và tên lửa hoặc tàu vũ trụ cần phải mang theo một lượng nhiên liệu đủ lớn; và lượng nhiên liệu lớn sẽ làm tăng đáng kể trọng lượng cất cánh của tên lửa, do đó cần nhiều nhiên liệu hơn để cất cánh. Lượng nhiên liệu và trọng lượng thiết bị bổ sung sẽ tạo thành một vòng luẩn quẩn và không thể cất cánh được.
Do đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vận tốc quỹ đạo, vận tốc tách và vận tốc thoát được tính toán chính là những vận tốc ban đầu cần đạt được khi phóng tàu vũ trụ cho đến nay và là phương pháp phóng khoa học và tiết kiệm nhiên liệu nhất để chống lại lực hấp dẫn của Trái Đất. Sau khi tên lửa đạt được vận tốc ban đầu khi phóng, nó đã bay ra khỏi bầu khí quyển và không còn sức cản của không khí nữa. Nó chỉ cần rất ít nhiên liệu để tăng tốc, giảm tốc và thay đổi quỹ đạo. Nó chủ yếu dựa vào quán tính hoặc hiệu ứng ná cao su của lực hấp dẫn thiên thể để tăng tốc độ và bay đến mục tiêu ở xa.
Sau khi con người hiểu được tác dụng tuyệt vời của trọng lực, họ có thể sử dụng quy luật tự nhiên này để rời khỏi trái đất và bay vào không gian sâu thẳm. Nếu con người không sử dụng phương tiện bay thì dù có nhảy bao nhiêu cũng không thể nhảy cao quá vài mét. Làm sao họ có thể lên tới mặt trăng? Do đó, bài viết này chỉ sử dụng câu hỏi vô nghĩa này để phổ biến kiến thức khoa học thông thường giữa lực hấp dẫn và tốc độ để bạn tham khảo.
Tôi tự hỏi liệu mình đã nói rõ ràng chưa? Cảm ơn bạn đã đọc và hoan nghênh bạn thảo luận.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
