前面我们讨论了扩音器的题目,这个问题跟火箭飞向月球的问题有很多相似的地方。可能很多人会觉得,讨论太空中某个微小物体的运动,一定是很复杂的。其实不然,当火箭向月球飞行的时候,只要保证它能飞过地球和月球对它的引力相等的那个点就行了。在后面的飞行中,火箭就会在月球的引力作用下朝着月球飞去。下面,我们就来找找这个点。
根据牛顿定律,两个物体间的引力与它们质量的乘积成正比,跟它们距离的平方成反比。如图16所示,设地球的质量为M,火箭与它的距离为x,那么地球对单位质量(单位:克)火箭的引力为:。其中,k表示1克质量和另1克质量在距离为1厘米时的引力。
同样,我们还可以得出月亮对每克火箭的引力为:。其中,m代表月球的质量,l代表月球和地球之间的距离。需要说明的是,这里假设火箭在地球和月球的连线上。
图16
根据题意,可以得出:
根据已知的内容,我们可知:
把这个结果代入上面的式子,则有:
化简可得:80.5x2-163lx+81.5l2=0
解方程得:x1=0.9l, x2=1.12l(www.xing528.com)
与前面扩音器的问题一样,对于这两个解的意义,我们也可以这样来解释。
在月球和地球的连线上,存在着这样的两个点。在这两个点上,地球和月球对火箭的引力相等。其中,第一个点位于地球和月球之间,距离地球中心相当于月地距离0.9倍的地方;另一个点位于它们连线的延长线上,距离地球中心相当于月地距离1.12倍的地方,也就是说,这个点和地球位于月球的两边。由于月地距离约为384000千米,所以第一个点距离地球中心346000千米,第二个点距离地球中心约430000千米。
根据前一节的例子,如果以这两个点为直径做一个球面,那么在球面上的任一点,地球和月球对火箭的引力都是相等的。也就是说,这些点也符合题目的要求。我们可以得出这个球的直径是:1.12l-0.9l=0.22l≈84000千米。
有的读者可能会错误地认为,只要火箭落入月球引力的范围,它就会朝着月球飞去。换而言之,只要火箭进入月球的引力范围,就一定会落到月球表面,在这个范围内月球的引力大于地球的引力。如果这是真的,那么关于飞向月球的问题就很好解决了。
但是,这个结论是错的,想要证明这一点并不难。
火箭从地球发射升空后,在地球引力的作用下,速度会减慢。假设当它到达月球引力的范围时速度降到了零,那就不可能继续朝着月球飞去了。当火箭飞到月球的引力范围之内时,它仍然会受到地球引力的作用。所以,当火箭飞到地球和月球的连线之外时,它需要克服的不仅仅是地球引力,而是根据平行四边形法则形成的一个合力,这个合力不直接指向月球。
此外,月球不是固定不动的,它一直在变换位置。此时,我们就要考虑火箭相对于月球的运动速度了。月球绕地球的旋转速度是1千米/秒,而火箭对月球的相对速度不能为零。所以,相对于月球而言,火箭的运动速度必须足够大,才能确保月球对火箭的引力足够大,此时的火箭就相当于月球的一颗卫星。
当火箭到达月球引力的范围时,月球引力才会对火箭产生作用。火箭在空间飞行时,只有进入月球的影响范围,也就是抵达半径为66000千米的球形范围时,才需要考虑月球引力的影响。此时,地球的引力可以忽略不计,只考虑月球的引力即可。当然,此时的火箭就会朝着月球飞去。所以,想让火箭朝着月球飞去,并不是只进入那个直径84000千米的球形范围那么简单。
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