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标题: 从空间站上用力向地球扔一把刀，会落回地球吗？ [打印本页]

作者: 此生有幸种花家 时间: 2022-10-21 06:10
标题: 从空间站上用力向地球扔一把刀，会落回地球吗？
这是一个有趣的问题，如果没有学过无论的同学第一反应一定是固然会落返来啊。但是学过物理后就会发现问题并没有那么简朴。
空间站高度下的空气阻力

不外在解答这个问题前，我得先分析一点，空间站高度上，纵然你不扔那把刀子，它最终也会落向地球，因为空间站的高度很有限，还处在大气层内，虽然空气已经很稀薄，但依然存在一定的空气，这些空气会对轨道上公转的物体产生轻微的阻力，物体会徐徐减速后落回地面。因此，空间站是需要通过动力推进系统维持轨道稳固的，不然就会在空气阻力下减速坠落。固然这种情况显然不是题目所要讨论的，因此我们忽略这种大气减速效应，单纯从运动学的角度来讨论。

（天宫一号试验舱减速落回大气层，图源：wonderfulengineering.com）

空间站的运行速度

既然要从运动学方面分析，天然先要确定空间站的运动速度，也就是它绕地公转的速度。我们以中国空间站为例举行计算。根据地球质量、半径和中国空间站高度，代入围绕速度公式即可计算出它地点高度的围绕速度，结果如下：

在400公里高度上的围绕速度约为7.66km/s，这就是中国天宫空间站的大致速度，它大概1.5个小时就会绕地球一周。网上搜刮到的速度一样寻常为7.68km/s，我不确定这个差值是否地球自转造成的。不外这两个数字差距只有0.3%不到，不影响背面的分析。
围绕速度的方向

空间站的围绕轨道是一个靠近圆形的轨道，所以很容易让人以外空间站一直在拐弯，但实际上在我们忽略了空气阻力后，围绕速度相当于一个惯性运动物体，它是不会自动改变方向的，它的运动方向实际上是切向，也就是圆轨道的切线方向。也就是说中国空间站在轨道切线方向上有一个7.66km/s的运动速度。

（中国空间站切向速度，图源：geekfence.com）

有人大概会问，切向方向是远离地球的方向，这不就飞走了吗？显然中国空间站并没有飞走，原因在于它处在地球的引力场中，它受到了外力——地心引力。地心引力给了空间站一个额外的加速度——重力加速度，这个加速度的方向是指向地心的（忽略地球自转）。这个额外的加速度一直在改变空间站的运动方向，在两者共同作用下取得平衡，最终呈现了一条近似圆形的轨道。

（中国空间站合成运动轨迹，图源：geekfence.com）

在空间站上使劲向地球扔一把刀会怎样？

根据前面分析，空间站本身具有一个切向7.66km/s的速度，空间站上所有物体包罗人和刀子都继承了这个速度。因此很天然地，当人用力向地球方向扔刀子的时候，刀子会在惯性作用下依然有一个原轨道切线方向的初速度，这个速度远比人投掷刀子的速度高。
专业棒球投手投球的最快记录是170km/h左右，由于刀子的密度更高阻力更小，为了方便计算，我们假设投掷时速能到达360km/s吧，秒速仅有100m……这跟刀子自身切向初速度相差近80倍，差得有点太远了，

（棒球投手投球，图源：Heavy.com）

结果显而易见，飞出的刀子会进入一条近地点较低的椭圆轨道继续绕地球公转，短时间无法落回地面。

（刀子运动方向分析，图源：wordlesstech.com）

怎样扔才气把刀子扔回地面？

实在要把刀子扔回地面，向地球方向扔是不对的，由于刀子携带了空间站的切向加速度使其保持在相同高度运行。当你要让它落回地面，要做的是把这个7.66km/s的切向速度消掉。精确的做法是向运动方向的正后方以7.66km/s的速度投掷，这样，刀子的公转速度就会瞬间降为0，失去速度的刀子就会在重力加速度作用下向地球垂直着落。
至于它能不能落到地面？这个问题要考虑刀子外形、空气摩擦等因素，能不能落到地面我不知道，很大大概在空中就流星一样烧没了，也有大概由于外形锋利纤薄，摩擦较小而幸存下来……

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（以上图片泉源于网络，如有侵权请联系删除）
#所见所得，都很科学#

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