Перейти к содержанию
Избранное

Калькулятор второй космической скорости

Обновлено:

Рассчитайте вторую космическую скорость для Земли, Луны, Марса, Солнца или любого другого тела по его массе и радиусу по формуле vₑ = √(2GM/R). Результат в км/с, м/с, mph и других единицах, а также ускорение свободного падения на поверхности.

Найдите вторую космическую скорость планеты, спутника или звезды

Поля ввода
Если включено, результат будет автоматически обновляться при изменении любого значения.

Формула второй космической скорости

Формула
\[ v_e = \sqrt{\frac{2GM}{R}} \\\ g = \frac{GM}{R^2} \]

Где:

  • \(v_e\) — вторая космическая скорость (м/с)
  • \(G\) — гравитационная постоянная, \(6.67430 \times 10^{-11}\ \mathrm{m^3\,kg^{-1}\,s^{-2}}\)
  • \(M\) — масса небесного тела (кг)
  • \(R\) — средний радиус тела, то есть расстояние от его центра до поверхности (м)
  • \(g\) — ускорение свободного падения на поверхности (м/с²)

Вторая космическая скорость — это минимальная скорость, которую должно иметь тело, чтобы навсегда преодолеть гравитацию небесного тела без учёта сопротивления воздуха. Она зависит только от массы и радиуса самого тела — но не от массы улетающего объекта и не от направления запуска.

Вторая космическая скорость — пример расчёта

Пример: найдём вторую космическую скорость у поверхности Земли, масса которой составляет \(5.9722 \times 10^{24}\) кг, а средний радиус — \(6.371 \times 10^{6}\) м.

\[ v_e = \sqrt{\frac{2 \times 6.67430 \times 10^{-11} \times 5.9722 \times 10^{24}}{6.371 \times 10^{6}}} \]

\[ v_e = \sqrt{1.2515 \times 10^{8}} \approx 11\,186\ \mathrm{m/s} \]

Результат: вторая космическая скорость Земли составляет примерно 11,186 км/с (около 40 270 км/ч или 25 020 mph). Иными словами, каждому килограмму космического аппарата нужно сообщить около 62,6 МДж кинетической энергии, чтобы навсегда покинуть Землю.

Как пользоваться калькулятором

  1. Откройте выпадающий список Небесное тело и выберите один из presets — Земля, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Плутон или Солнце. Их известные масса и радиус подставятся автоматически.
  2. Чтобы проанализировать другое тело (экзопланету, астероид, нейтронную звезду…), выберите вариант Другое тело. Появятся поля Масса (M) и Радиус (R).
  3. Для произвольного тела введите массу и выберите единицу измерения — массы Земли (M⊕), килограммы, фунты или массы Солнца (M☉).
  4. Введите средний радиус и выберите единицу измерения — км, м, мили или радиусы Земли (R⊕).
  5. Прочитайте таблицу Вторая космическая скорость (vₑ), в которой результат показан в км/с, м/с, км/ч, mi/s, mph и ft/s.
  6. Обратите внимание на второй блок результатов: в нём приведены ускорение свободного падения на поверхности тела в м/с² и g, вторая космическая скорость в долях от земной (11,186 км/с) и кинетическая энергия, необходимая на килограмм полезной нагрузки.

Что такое вторая космическая скорость?

Вторая космическая скорость — это минимальная скорость, которая нужна объекту на заданном расстоянии от небесного тела, чтобы он мог удалиться на сколь угодно большое расстояние и никогда не вернуться — без двигателей и последующих подталкиваний. Ниже этой скорости гравитация в конце концов всегда побеждает, и объект возвращается (либо выходит на орбиту); при этой скорости и выше кинетической энергии объекта достаточно, чтобы полностью преодолеть гравитационное притяжение тела.

Формула напрямую следует из закона сохранения энергии: если приравнять кинетическую энергию объекта \(\tfrac{1}{2}mv_e^2\) к глубине гравитационной потенциальной ямы \(\tfrac{GMm}{R}\), масса \(m\) улетающего объекта сокращается. Именно поэтому пылинке и тысячетонному космическому кораблю нужна совершенно одинаковая скорость отрыва от одного и того же тела — пёрышко покинуло бы Землю на скорости 11,186 км/с точно так же, как ракета.

Стоит отметить, что реальные ракеты не обязаны достигать второй космической скорости у поверхности Земли. Космический аппарат, поднимающийся от Земли, поначалу может лететь медленно, потому что вторая космическая скорость уменьшается с расстоянием: на высоте \(h\) требуемая скорость равна \(\sqrt{2GM/(R+h)}\). К моменту, когда зонд покидает окрестности Земли высоко над поверхностью, остаточная скорость отрыва составляет всего несколько км/с — поэтому миссии к другим планетам обычно стремятся получить несколько км/с избыточной скорости, а не 11,186 км/с сразу со стартового стола.

Вторая космическая скорость задаёт масштаб и для орбит, а не только для отлёта: круговая орбита непосредственно над поверхностью требует скорости \(\sqrt{GM/R}\), то есть ровно в \(1/\sqrt{2}\) раза меньше второй космической скорости. Земная околонизкая орбитальная скорость около 7,9 км/с по сравнению с 11,186 км/с отрыва отражает именно эту связь. Для родственных задач движения см. калькуляторы Центростремительная сила и Кинематические уравнения.

Вторые космические скорости предустановленных тел

Тело Масса (кг) Средний радиус (км) Вторая космическая скорость (км/с)
Земля 5,9722 × 10²⁴ 6371 11,186
Луна 7,342 × 10²² 1737,4 2,375
Меркурий 3,3011 × 10²³ 2439,7 4,250
Венера 4,8675 × 10²⁴ 6051,8 10,362
Марс 6,4171 × 10²³ 3389,5 5,028
Юпитер 1,8982 × 10²⁷ 69 911 60,2
Сатурн 5,423 × 10²⁶ 58 232 35,3
Плутон 1,303 × 10²² 1188,3 1,21
Солнце 1,9885 × 10³⁰ 695 700 617,6

Обратите внимание: вторая космическая скорость тела растёт с плотностью не меньше, чем с размером: Солнце более чем в 300 000 раз тяжелее Земли, но лишь в 109 раз шире, и его вторая космическая скорость в 55 раз выше. Луна, будучи одновременно маленькой и лёгкой, имеет столь низкую скорость отрыва (2,375 км/с), что быстрая винтовочная пуля почти смогла бы покинуть её — одна из причин, почему лунная пыль и выхлопные газы создают совсем иные инженерные проблемы, чем на Земле.

Допущения и ограничения

  • Без атмосферы. Результат не учитывает сопротивление воздуха. Реальный старт с Земли тратит значительную часть топлива на борьбу с сопротивлением, и фактический «запас по скорости» превышает 11,186 км/с.
  • Невращающееся сферическое тело. Тело считается идеальным шаром постоянного радиуса. Запуск на восток с экватора вращающегося тела (например, вращение Земли даёт около 0,465 км/с) даёт небольшой «бесплатный» прирост скорости, который здесь не учитывается.
  • Отсчёт от поверхности. Калькулятор использует средний радиус, поэтому ответ относится к поверхности. Выше неё подставьте \(R + h\) вместо \(R\); вторая космическая скорость убывает пропорционально квадратному корню из расстояния.
  • Приближение двух тел. Учитывается только гравитация выбранного тела. Рядом с массивным соседом (Луна возле Земли, планета возле Солнца) реальная требуемая скорость отрыва несколько отличается.
  • Это скорость, а не вектор скорости. Для энергетического баланса направление не имеет значения — строго вертикальный запуск просто наиболее экономичен по топливу на практике, поскольку горизонтальный запуск означает долгую борьбу с сопротивлением воздуха и рельефом.
  • Для неправильных по форме тел, таких как астероиды, средний радиус даёт лишь приближение; вторая космическая скорость может заметно различаться у длинной и короткой сторон фигуры.

Часто задаваемые вопросы

Почему вторая космическая скорость не зависит от массы улетающего объекта?

Вторая космическая скорость получается приравниванием кинетической энергии \(\tfrac{1}{2}mv_e^2\) к гравитационной потенциальной энергии \(\tfrac{GMm}{R}\). Собственная масса объекта \(m\) присутствует в обеих частях уравнения и сокращается, поэтому камешку и тяжёлой ракете для отрыва от данной планеты нужна совершенно одинаковая скорость. Имеют значение только масса и радиус тела, от которого происходит отлёт.

Как рассчитать вторую космическую скорость вручную?

Возьмите массу тела \(M\) в килограммах и радиус \(R\) в метрах, затем вычислите \(v_e = \sqrt{2GM/R}\) при \(G = 6.67430 \times 10^{-11}\). Для Земли: \(2 \times 6.67430 \times 10^{-11} \times 5.9722 \times 10^{24} / 6.371 \times 10^{6} \approx 1.25 \times 10^{8}\), а квадратный корень даёт примерно 11 186 м/с, то есть 11,19 км/с. Всегда сначала переводите данные в единицы СИ, чтобы избежать ошибок на порядки.

Какой бывает вторая космическая скорость у планет и звёзд?

У каменистых планет она составляет несколько км/с: Луна — 2,38, Марс — 5,03, Земля — 11,19 км/с. У газовых гигантов она гораздо выше — у Юпитера около 60 км/с, — а у Солнца достигает примерно 618 км/с. Экстремальные объекты вроде нейтронных звёзд и чёрных дыр превышают скорость света — поэтому сам свет не может покинуть чёрную дыру. Если для вашего произвольного тела результат превышает 299 792 км/с, формула перестаёт быть физически корректной и требуется теория относительности.

Это ли скорость, которую ракеты должны развивать при старте?

Нет. Ракеты не выстреливаются, как пули; они непрерывно сжигают топливо и могут подниматься медленно. Вторая космическая скорость уменьшается с расстоянием как \(\sqrt{2GM/(R+h)}\), поэтому космическому аппарату достаточно превысить местную (гораздо более низкую) скорость отрыва, когда он уже высоко над поверхностью. На практике миссии стремятся получить несколько км/с избыточной скорости сверх околоземной орбитальной скорости около 7,9 км/с, а не 11,19 км/с сразу со старта.

Зависит ли вторая космическая скорость от направления запуска?

Нет — для энергетического баланса направление не имеет значения. Любой объект, движущийся со скоростью, равной второй космической или выше, вырвется на свободу — независимо от того, летит ли он строго вверх или под углом, — при условии, что он не врежется в землю или атмосферу. Строго вертикальный запуск — просто самый экономичный по топливу практический выбор, потому что пологая траектория дольше борется с сопротивлением воздуха и рельефом. Поэтому корректнее говорить о скорости отрыва, хотя термин «вторая космическая скорость» является общепринятым.

Как перевести вторую космическую скорость между км/с, mph и м/с?

Умножьте км/с на 1000, чтобы получить м/с, на 3600, чтобы получить км/ч, и примерно на 2236,94, чтобы получить mph. Земные 11,186 км/с равны 11 186 м/с, 40 270 км/ч или примерно 25 020 mph. В обратную сторону разделите mph на 2236,94, чтобы получить км/с. Таблица результатов калькулятора сразу показывает все распространённые единицы, что помогает избежать ошибок при переводе и сравнении тел.

Какие ошибки чаще всего допускают при расчёте второй космической скорости?

Самая большая ошибка — смешение единиц: использование километров для радиуса без перевода в метры или фунтов вместо килограммов отбрасывает результат на порядки. Другая ошибка — путаница среднего радиуса с диаметром (ошибка в R в два раза меняет ответ примерно на 41%). Также помните, что формула игнорирует сопротивление воздуха и предполагает сферическое невращающееся тело, поэтому реальный старт с Земли получает небольшой бесплатный прирост от вращения планеты — около 0,465 км/с на экваторе, — который здесь не учитывается.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *