Mọi người đều có rất nhiều tưởng tượng về việc bay và có rất nhiều câu hỏi như vậy trên Internet. Ví dụ, Trái Đất quay, vì vậy, chỉ cần máy bay bay trên không trung và không di chuyển, nó sẽ bay vòng quanh Trái Đất một lần mỗi ngày. Điều này giúp tiết kiệm rất nhiều nhiên liệu và năng lượng. Nhiều câu hỏi dạng này đã được giải đáp trong quá khứ. Bạn đọc quan tâm có thể tham khảo các bài viết liên quan đã được Space-Time Communications đăng tải trước đó. Tôi sẽ không giải thích chi tiết về điều này. Hôm nay, chúng ta hãy cùng thảo luận về một câu hỏi được một số cư dân mạng nêu ra: Máy bay phải bay cao bao nhiêu để thoát khỏi ảnh hưởng của lực hấp dẫn của Trái Đất?
Cho dù máy bay có bay cao đến đâu thì nó vẫn bị hạn chế bởi lực hấp dẫn của Trái Đất. Bởi vì máy bay là loại máy bay dựa vào khí động học để bay và di chuyển trong khí quyển. Khi rời khỏi bầu khí quyển, máy bay sẽ không còn được không khí hỗ trợ nữa, cánh và đuôi của máy bay sẽ trở nên vô dụng và máy bay sẽ rơi xuống. Hơn nữa, động cơ máy bay cũng cần oxy để duy trì hoạt động. Nếu máy bay ở độ cao quá lớn, động cơ sẽ chết máy do thiếu oxy và máy bay sẽ rơi xuống.
Máy bay bay nhanh nhất và cao nhất hiện nay là máy bay thử nghiệm X-15A của Hoa Kỳ vào những năm 1960, có tốc độ bay là 6,72 Mach (7274km/h) và độ cao bay tối đa là 108.000 mét. Giống như Tôn Ngộ Không đã nói về khoảng cách 108.000 dặm, nhưng ở đây chỉ là 108.000 km. Nhưng loại máy bay này không còn có thể được coi là một máy bay hoàn chỉnh nữa. Máy bay này được trang bị động cơ tên lửa do Tập đoàn Hàng không Bắc Mỹ phát triển. Nói một cách chính xác thì nó giống như một tên lửa.
Tại sao tên lửa có thể bay cao hơn vào không gian? Điều này là do nó được trang bị động cơ tên lửa, và động cơ tên lửa không cần oxy để hỗ trợ quá trình đốt cháy. Nhiên liệu của nó được trang bị chất chống cháy, chẳng hạn như hỗn hợp hydro lỏng và oxy lỏng theo tỷ lệ 2:1, tương đương với việc tự mang oxy để đốt cháy. Hơn nữa, tên lửa không dựa vào không khí để nâng nó lên mà dựa vào lực phản ứng để đẩy khí nóng, tốc độ cao xuống dưới hoặc ra phía sau để đẩy nó đi. Về lý thuyết, chỉ cần có đủ nhiên liệu, máy bay vẫn có thể bay được.
Lúc này, không khí trong khí quyển trở thành lực cản, vì vậy trong tương lai, ngày càng có nhiều tàu vũ trụ bay vào không gian sâu được phóng từ không gian hoặc Mặt Trăng, vì ở đó không có lực cản của khí quyển và ảnh hưởng của trọng lực cũng nhỏ hơn.
Lực hấp dẫn là lực có tầm tác dụng xa và về mặt lý thuyết có tác dụng trên một khoảng cách vô hạn. Có lẽ không có giới hạn nào về thời gian bạn có thể bay trước khi thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất. Vì về mặt lý thuyết, lực hấp dẫn tác động ở vô cùng xa, thậm chí ở rìa bầu trời và vũ trụ, nên lực hấp dẫn của Trái Đất vẫn tồn tại, điều đó có nghĩa là không thể bay thoát hoàn toàn khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất. Nhưng lực hấp dẫn là lực yếu và độ lớn của nó tỉ lệ thuận với khối lượng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Công thức sau đây là: F=GMm/r^2.
Tại đây, F biểu thị độ lớn của lực hấp dẫn, G là hằng số hấp dẫn, M và m biểu thị khối lượng của hai vật tương tác hấp dẫn với nhau và r là khoảng cách giữa các hạt của hai vật. Từ công thức, ta thấy rằng khối lượng của hai vật tương tác càng lớn thì lực hấp dẫn càng lớn, khoảng cách càng xa thì lực hấp dẫn suy giảm càng mạnh và giảm theo bậc bình phương. Theo cách này, lực hấp dẫn trở nên rất yếu khi khoảng cách xa.
Có nhiều thiên thể khác nhau trong không gian và lực hấp dẫn của chúng ảnh hưởng lẫn nhau. Vì vậy, mặc dù lực hấp dẫn có thể đạt tới vô cực, nhưng sự vô cực này chỉ mang tính biểu tượng. Ở một khoảng cách nhất định, nó rất yếu và khó cảm nhận và đo lường. Theo cách này, tùy theo khối lượng của các thiên thể khác nhau và sự tương tác giữa các thiên thể, lực hấp dẫn của mỗi thiên thể có phạm vi ảnh hưởng nhất định. Trong phạm vi này, lực hấp dẫn có thể tác động lên các vật thể bám vào nó, và ngoài phạm vi này, nó không có tác động gì.
Phạm vi này được gọi là bán kính hình cầu Hill. Công thức tính bán kính hình cầu Hill là: r = a*căn bậc ba [m/(3*M)]
Trong đó r là bán kính của thiên cầu Hill, m là khối lượng của vật thể trong thiên cầu Hill đang được tính toán, M là khối lượng của vật thể lớn ảnh hưởng đến quỹ đạo của m và a là bán trục lớn của quỹ đạo m.
Theo công thức này, bán kính của quả cầu Hill của Trái Đất là khoảng 1,5 triệu km. Nghĩa là, trong phạm vi hình cầu có bán kính 1,5 triệu km, lực hấp dẫn của Trái Đất đóng vai trò chi phối. Nếu vượt quá 1,5 triệu km, Trái Đất sẽ không còn khả năng kiểm soát. Mặt trăng cách chúng ta trung bình 384.000 km nên nó hoàn toàn nằm trong tầm kiểm soát của Trái đất và chỉ có thể quay quanh Trái đất.
Bán kính của thiên cầu Hill của Mặt Trăng là khoảng 61.400 km. Trong phạm vi này tính từ mặt trăng, các thiên thể nhỏ bị lực hấp dẫn của mặt trăng hạn chế, trong khi ở khu vực cận biên này, lực hấp dẫn của trái đất và mặt trăng tạo ra sự cân bằng.
Các điểm Lagrange Mặt Trời-Trái Đất là một số điểm cách Trái Đất 1,5 triệu km, tại đó lực hấp dẫn của Trái Đất và lực hấp dẫn của Mặt Trời đạt tới trạng thái cân bằng. Về mặt lý thuyết, các thiên thể nhân tạo có thể tồn tại ở đó trong thời gian dài mà không cần nhiên liệu hoặc chỉ cần rất ít nhiên liệu. Trên thực tế, có rất nhiều máy dò và kính viễn vọng không gian trên thế giới hoạt động tại những địa điểm này. Vệ tinh chuyển tiếp Queqiao do nước tôi phóng vào năm 2019 là tàu vũ trụ đầu tiên hoạt động tại điểm Lagrange L2 của Trái Đất-Mặt Trăng.
Nói một cách chính xác, bất kỳ máy bay nào muốn bay ra khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất phải bay cách xa 1,5 triệu km. Tất nhiên máy bay cũng không ngoại lệ, nhưng chúng không những không thể bay ra khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất mà thậm chí còn không thể bay ra khỏi tầng đối lưu rộng 16 km của khí quyển Trái Đất.
Để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất, bạn phải đạt đến một tốc độ nhất định. Thuyết tương đối tổng quát của Einstein cho rằng bản chất của lực hấp dẫn là sự nhiễu loạn và biến dạng của không-thời gian xung quanh do khối lượng gây ra. Kết quả của sự biến dạng này là các thiên thể khổng lồ bị bao quanh bởi các xoáy hấp dẫn hoặc bẫy hấp dẫn. Để thoát khỏi vòng xoáy hoặc bẫy này, bạn phải chạy thật nhanh, giống như thoát khỏi xoáy nước trên biển, bạn phải lái thuyền thật nhanh để thoát ra.
Do đó, để thoát khỏi lực hấp dẫn, người ta phải đạt đến một tốc độ nhất định. Lực hấp dẫn càng lớn thì tốc độ cần thiết càng nhanh. Nói cách khác, tốc độ càng nhanh thì bạn càng thoát khỏi lực hấp dẫn nhanh hơn. Hình ảnh trên minh họa một cách sống động cách thoát khỏi lực hấp dẫn: Einstein đạp xe đạp rất mạnh để tránh rơi vào bẫy hấp dẫn.
Dựa trên công thức hấp dẫn, các nhà khoa học đã đưa ra ba tốc độ vũ trụ trên Trái Đất, cụ thể là tốc độ vũ trụ thứ nhất là 7,9 km/giây, còn gọi là tốc độ quỹ đạo; tốc độ vũ trụ thứ hai, 11,2 km/giây, còn được gọi là tốc độ thoát ly; tốc độ vũ trụ thứ ba, 16,7 km/giây, còn được gọi là tốc độ thoát ly.
Khi đạt đến vận tốc vũ trụ đầu tiên, chúng ta có thể chống lại lực hấp dẫn của Trái Đất. Người ta không thể bị lực hấp dẫn của Trái Đất kéo xuống cũng như không thể thoát khỏi sự kiểm soát của lực hấp dẫn đó. Các vệ tinh nhân tạo, trạm vũ trụ, đài quan sát vũ trụ (kính viễn vọng không gian) và các thiên thể nhân tạo khác hiện nay đều được phóng lên với tốc độ này. Khi đạt đến vận tốc vũ trụ thứ hai, con người có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất và bay đến không gian vượt quá bán kính 150 km của thiên cầu Hill của Trái Đất để thăm các hành tinh khác. Tất cả các tàu thăm dò hướng đến Sao Hỏa, Sao Kim, Sao Mộc, Sao Thổ và các hành tinh khác phải di chuyển với tốc độ lớn hơn tốc độ này. Khi đạt đến vận tốc vũ trụ thứ ba, con người có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của mặt trời và bay ra ngoài hệ mặt trời.
Hiện tại, Voyager 1 đang bay ra khỏi hệ mặt trời với tốc độ khoảng 17 km/giây. Nó cách chúng ta hơn 22,3 tỷ km, trở thành tàu thăm dò bay xa nhất mà con người từng bay.
Tốc độ một thiên thể thoát ra được gọi là vận tốc thoát. Mặc dù vận tốc vũ trụ thứ hai là 11,2km/giây được gọi là vận tốc thoát ly, nhưng thực chất đây là vận tốc thoát ly của Trái Đất. Trên thực tế, mỗi thiên thể đều có vận tốc thoát riêng. Công thức tính vận tốc này là: v=√(2GM/R)
Ở đây, v là vận tốc thoát, G là hằng số hấp dẫn, M là khối lượng của vật thoát ra và R là bán kính của vật. Công thức này được sử dụng để tính toán vận tốc thoát ly của tất cả các thiên thể. Vận tốc thoát ly của bất kỳ thiên thể nào cũng có thể được tính theo công thức này.
Ví dụ, theo công thức này, chỉ cần tốc độ đạt tới 617,7km/giây thì nó có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của Mặt Trời. Vận tốc thoát ly là tốc độ cần thiết để thoát khỏi bề mặt của một thiên thể. Nếu bạn đã ở một khoảng cách nhất định so với thiên thể, theo công thức của định luật vạn vật hấp dẫn, lực hấp dẫn đã yếu đi rất nhiều, do đó vận tốc thoát ly không cần phải cao đến vậy.
Ví dụ, tại vị trí Trái Đất cách Mặt Trời 150 triệu km, vận tốc thoát khỏi Mặt Trời chỉ khoảng 42 km/giây, trong khi vận tốc quỹ đạo của Trái Đất là 29,8 km/giây. Nếu một tàu vũ trụ được phóng lên đây và với sự trợ giúp của lực quỹ đạo của Trái Đất, nó chỉ cần 16,7 km/giây để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất và lực hấp dẫn của Mặt Trời.
Công thức tính vận tốc vũ trụ thứ ba là: v=√(v'^2+v"^2)
v là vận tốc vũ trụ thứ ba; v' là vận tốc thoát ly của Trái Đất - vận tốc quỹ đạo 42,2-29,8=12,4km; v" là vận tốc vũ trụ thứ hai.
Do đó, dù máy bay có bay cao đến đâu cũng không thể thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất. Không có máy bay nào không bị lực hấp dẫn của Trái Đất kìm hãm. Tuy nhiên, nếu một tàu vũ trụ muốn bay ra khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất, nó phải tuân theo định luật hấp dẫn và đạt tới tốc độ vũ trụ thứ hai. Khi bay cách xa Trái Đất 150 km, nó sẽ thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất.
Vậy thôi, chào mừng các bạn đến thảo luận, cảm ơn các bạn đã đọc.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
