Космические скорости: первая V1, вторая V2, третья V3 и четвёртая V4

4 октября 1957 года советская ракета носитель Р7 вывела на низкую земную орбиту аппарат под кодовым названием ПС-1. Именно с этого момента начинается отсчет космической эры. Чтобы космический аппарат смог стать спутником нашей планеты, ракете пришлось разогнать его до огромной скорости – почти 28.5 тысячи км/час (7.9 км/с). Эта скорость называется первой космической.

Что такое космическая скорость

Впервые понятие 1-й космической скорости (V1) ввел в обиход А.А. Штернфельд в своей работе «Введение в космонавтику» в 1934г. Кстати, из этой же монографии пришел и термин космодром.  Именно благодаря этому ученому, в СССР (а позже в России) люди, летающие на орбиту, стали называться космонавтами, а не астронавтами, как в США.

Космические (с приставками 1–4) называются скорости, при достижении которых происходит качественное изменения в движении космических объектов в гравитационных полях небесных тел и их систем.

Они различны для различных небесных объектов, и обеспечивают ракете, стартующей с планеты, возможность:

• V1 – выйти на круговую орбиту, став спутником планеты;
• V2 – покинуть зону притяжения планеты и выйти на круговую орбиту вокруг Солнца;
• V3 – улететь безвозвратно за пределы солнечной системы, начав вращение вокруг центра галактики
• V4 – навсегда покинуть нашу галактику.

Величины эти зависят от массы небесного тела и удаления от его центра. 

V1 — первая космическая скорость

Минимальная скорость, которую надо сообщить объекту, чтобы центробежная сила уравновешивала силу тяжести, называется круговой или первой космической.

Вычисляется по формуле 1:    

где:

G – гравитационная постоянная (6.67430(15)·10⁻¹¹ Н·м²·кг⁻²).

M – масса центрального тела, для Земли M = 5.97·10²⁴ кг.

R – расстояние от центра до объекта, для поверхности Земли R = 6,371·10⁶ м.  

Для поверхности Земли, V1 составляет 7,91 км/с.

Если речь идет об объекте, находящемся на некотором расстоянии над поверхностью, то скорость немного уменьшится (за счет увеличения R). Так для орбиты в 100 км над поверхностью Земли она равна 7 844 м/с, а на высоте 300 км — 7 726 м/c.

V2 — вторая космическая скорость

Это скорость (наименьшая), до которой надо разогнать космический аппарат, чтобы он мог полностью преодолеть гравитационное поле планеты. Другое название – скорость убегания или параболическая.

Определяется по формуле 2:

Как видно из формулы, параболическая скорость больше круговой в 1.41 раза. Для Земли она равна 11.2 км/с, для Марса 5.04 км/с, для Солнца это уже 618.7 км/с.

Если скорость объекта больше круговой, но меньше параболической, то он движется вокруг солнца по эллиптической орбите. Чем выше скорость, тем более вытянутый эллипс. 

V3 — третья космическая скорость

Это скорость, необходимая для того, чтобы покинуть пределы солнечной системы навсегда.  Являясь параболической в отношении нашего Солнца, одновременно будет круговой по отношению к центру тяжести Млечного пути (нашей галактики).

Аппарат стартует с нашей планеты и уже обладает скоростью Земли (вычисляется по формуле с учетом расстояния до Солнца равного 150 млн. км) равной 29.77 км/с.

Для отрыва от центрального светила – V2 для Солнца на орбите Земли нужно 42.09 км/с. То есть не хватает 12.3 км/с.

Кроме того, аппарат должен потратить топливо для полного преодоления земной гравитации. V2 для Земли = 11.2 км/с.

В итоге, третья космическая скорость составит:

 = 16.65 км/с

V4 — четвертая космическая скорость

Это скорость, имея которую можно безвозвратно покинуть нашу галактику. Из-за отсутствия точных данных о распределении массы во Вселенной подсчитана только приблизительно. Формула для вычисления скорости убегания из нашей галактики:

По сегодняшним оценкам V4 в районе нашего светила составляет примерно 550 км/с. При этом скорость с которой наша звезда летит вокруг центра Млечного пути составляет 220 км/с. 

Пятая скорость – можно ли покинуть нашу вселенную?

По аналогии с официально используемыми четырьмя космическими скоростями некоторые авторы ввели понятие пятой. В их понимании это скорость, которую надо развить, чтобы навсегда улететь из нашей Вселенной. Красиво, но наука пока не знает, сколько существует вселенных – одна или бесчисленное количество. Что представляет пространство вне Вселенной, какие законы там действуют. Есть ли там гравитация, которая и определяет значения космических скоростей (V1 – V4) – неизвестно.

Скорость света

Скорость света, или скорость распространения электромагнитных волн в вакууме составляет 299792.5 км/с.

От Земли до Луны он долетит за секунду с небольшим. Для преодоления расстояния до Солнца потребуется 8 минут.

Астрономы, наблюдающие за звездами, измеряют расстояния световыми годами. Один световой год – расстояние которое преодолевает свет за 365.25 суток. В более привычных нам единицах – это 9460 миллиардов км. До ближайшей к нам звезды (Проксима Центавра) – 4.25 св.г. Размер нашей галактики – 100 тысяч св. лет.

Скорость света является предельной, материальные объекты не могут двигаться быстрее. При движении со скоростями близкими к скорости света возникают релятивистские эффекты. Время для пассажиров звездолета течет медленнее. При достижении скорости света (гипотетически) оно полностью останавливается.

источник