卫星为什么掉不下来？

湖北省襄阳市襄州区黄集镇中心学校 尹涛

我们知道，飞机在飞行过程中，机翼能像鸟的翅膀那样，借助空气把机身托在空中。而卫星没有翅膀，却能够在没有空气的太空中安然飞行，它为什么不会掉下来呢？

要说明这个问题，我们不妨想象一下：如果站在高山上水平扔皮球，由于受到地球引力的作用，皮球飞行一段距离就会落到地上，整个飞行路线是弯曲的弧线。如果扔的力气小，皮球飞行的速度就慢，会飞到近处落下来，飞行路线的弯曲程度就大；如果扔的力气大，皮球飞行的速度就快，会飞到更远的地方才落地，飞行路线的弯曲程度就小。

假如有一位大力士，能将皮球以7.9 千米/秒的速度扔出，那么皮球的飞行路线的弯曲程度，就正好与地球表面的弧度相同，也就是飞行路线近似地球的圆周。这个时候，奇迹就发生了，球不会落下来了。在没有任何力量托举它的情况下，它会在超低空围绕地球旋转，并一直这样运行下去，相当于一个小卫星。

说到这里，大家一定会感到这个7.9 千米/秒的速度很神奇。是的！卫星等所有太空飞行器，无需烧一滴油来提供动力，就能以这个速度，自行沿着环绕地球的轨道，永不停息、不知疲倦地运转，比飞机和火箭节能得多，而且没有污染排放。即使卫星飞到最后散架了，裂成许多残片，它们照样沿着原来的轨道飞行，这就是人们常说的“太空垃圾”。要想让太空垃圾为其他飞行器腾出轨道，只有设法使其速度降到7.9 千米/秒以下，这样它们才能落入大气层被烧毁。由于速度7.9 千米/秒是地面物体进入宇宙的第一道“门槛”，所以它被称为“第一宇宙速度”，亦称“环绕速度”。

看来，不论什么物体，只要速度能达到第一宇宙速度，并在高空水平飞行（不考虑阻力），就不会从天上掉下来，可以扮演卫星的角色。可是，道理虽简单，做起来却很难。要让物体的速度达到7.9 千米/秒，并不容易。岂不知，出膛的子弹和炮弹速度，通常也不超过2 千米/秒。所以，发射卫星时必须用大推力火箭来加速，使其达到第一宇宙速度后，送入绕地轨道，此后不用再施加动力，卫星也能自动运行。

人们总是认为，扔出去的东西掉下来是天经地义的事，这是人们长期生活在地球上形成的习惯性认识。如果是在太空环境，扔出去的东西都会沿着扔出的方向匀速直线飞行，不拉住它，它就会远离扔者而去，绝不可能往下掉。所以，宇宙中远离地球的绝大多数地方，扔出去的东西向“天”外飞去才是正常的。

但有一点必须明白，掉不下来并不等于不往下掉。正常飞行的卫星，实际上是不停地往下掉，只不过下落的路线是一条绕地运行的圆形轨道。因为卫星以第一宇宙速度飞行，基于自身惯性，它每时每刻都想挣脱地球飞出去。这种挣脱的力量，刚好与地球引力达成平衡。所以，卫星是在地球引力作用下围绕地球旋转。就跟用绳子拴着石子抡着玩，手通过绳子牵着石子在空中转圈的道理一样。因此，卫星运行时无需发动机提供动力，只要有地球引力就足够了。

说到这里，也许有人会问：卫星环绕地球表面飞行的速度为什么是7.9 千米/秒，而不是别的速度呢？这个问题很复杂，牵扯到很深的力学原理。如果用一句话简单地概括，则它是由地球的质量和半径决定的。至于其中的来龙去脉，高中物理课程中讲得一清二楚，并且还会教大家运用相关数据，推算出这个速度的数值。整个推算过程，会让你领略到科学知识的奇妙和有趣。

最后，值得一提的是：卫星正常运行的速度不全是7.9 千米/秒，有的稍高于这个值。不过，这样卫星会有挣脱地球的危险。对于这种情况，航天科学家会把卫星轨道设计得低一点，因为卫星离地球越近，受到的引力就越大，这样才能把卫星拉住。这么做还有一个好处，能让卫星分层运行，避免碰撞。另外，如果卫星的速度高于第一宇宙速度，那么卫星运行的轨道将不再是圆形，而是椭圆形，这就意味着轨道上有近地点和远地点，在近地点卫星速度很大，超过第一宇宙速度，在远地点速度就较小。

然而，卫星速度再大，也不能达到11.2千米/秒。不然的话，它会脱离地球飞向太空。若卫星速度等于或大于11.2 千米/秒，但小于16.7 千米/秒，它会沿一条抛物线脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的卫星，因此11.2 千米/秒被称为“第二宇宙速度”，亦称“逃逸速度”。若卫星速度再达到16.7 千米/秒，它会飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游。这一速度被称为“第三宇宙速度”，亦称“脱离速度”。此外，还有“第四宇宙速度”，即卫星脱离银河系而进入河外星系的速度，这个速度在110～120 千米/秒之间。

到现在，你应该已经知道卫星掉不下来的原因了，而且对航天器的发射和运行也有了一定的了解。归根结底，它们都是建立在万有引力定律的基础之上。1687年，牛顿第一次提出了万有引力定律，这是17 世纪自然科学最伟大的成果之一。它将地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对此后物理学和天文学的发展具有深远的影响。哈雷彗星、海王星、冥王星的发现，太阳、地球等无法直接测量的天体质量的计算，地球上的潮汐现象的解释等，都是应用万有引力定律取得的重大成就。同学们，你们不仅要学习和应用好这些科学知识，还要像牛顿一样，保持一颗探索之心，做自然规律的发现者。