火箭飞向月球,怎样找到飞过地球和月球对它的引力相等的那个点

时间:2023-11-17 19:19:02

前面我们讨论了扩音器的题目,其实这个问题跟火箭飞向月球的问题有很多相似之处。可能很多人以为,讨论天空中某个微小物体的运动,一定是很复杂的事情,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可以了,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,就来找一下这个点。

根据牛顿定律,两个物体间的引力跟它们质量的乘积成正比,跟它们距离的平方成反比。如图,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

火箭飞向月球,怎样找到飞过地球和月球对它的引力相等的那个点

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。

火箭飞向月球,怎样找到飞过地球和月球对它的引力相等的那个点

同样,容易得出月亮对每克火箭的引力为

火箭飞向月球,怎样找到飞过地球和月球对它的引力相等的那个点

其中,m表示月球的质量,l表示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。

根据题意,可得

火箭飞向月球,怎样找到飞过地球和月球对它的引力相等的那个点

根据已知的知识,我们知道

火箭飞向月球,怎样找到飞过地球和月球对它的引力相等的那个点

把这个结果代入上面的式子,有

火箭飞向月球,怎样找到飞过地球和月球对它的引力相等的那个点

化简可得

80.5x2-163lx+81.5l=0

解方程得

x1=0.9l,x2=1.12l

跟前面扩音器的题目一样,也可以这样解释这两个解的意义。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的346000千米,第二个点距离地球中心约430000千米。

根据上一节的例子,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为

1.12l-0.9l=0.22l≈84000(千米)

有的读者朋友会错误地认为,只要火箭落入月球引力的范围,它就会朝着月球飞过去。换句话说,只要火箭进入月球的引力范围,它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容易解决了。

但这个结论是不正确的,要证明这一点并不难。

火箭从地球发射升空后,由于地球引力的作用,它的速度会减低,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,它要克服的力就不仅仅是地球引力了,而是根据平行四边形法则形成的一个合力,该合力不直接指向月球。

此外,月球并不是固定不动的,它一直在变换着位置。这时,我们就需要考虑火箭相对于月球的运动速度。月球绕地球的旋转速度为1千米/秒,而火箭对月球的相对速度就不能为零。所以,相对于月球来说,火箭的运动速度必须足够大,才能保证月球对火箭的引力足够大,这时候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,也就是到达半径为66000千米的球形范围时,才需要考虑月球引力的影响。这时,地球的引力可以忽略不计,只考虑月球的引力就可以了。当然,这时候的火箭就会朝着月球飞去。所以,要想让火箭朝着月球飞去,并非只进入那个直径84000千米的球形范围那样简单。