理想情况下,无穷远处的物体落向地球,最终会达到光速吗?

发布者:江湖套路 2023-7-28 13:56

三个字:不可能!

即便是无穷远处落向地球,最终的速度也不可能达到光速。而且不但达不到光速,与光速相比还相差甚远。

该如何理解上面这句话呢?

初中物理课上我们都学过自由落体的速度计算公式,速度等于重力加速度乘以时间。从中可以看出,只要时间足够长,物体的速度就会越来越快,最终一定会达到并超过光速。

但是自由落体的物体速度计算公式其实是不严谨的,适用范围也非常有限。一是因为重力加速度是不固定的,并不是一个常量,会随着高度的增加而变小。9.8的重力加速度只适用于距离地面较近的区域。

第二,自由落体的速度计算还忽略了一个很重要因素:物体的质量会随着速度的增加而变大,不过只有当物体的速度达到亚光速时,质量的变化才会比较明显。平时我们所在的低速世界很难感受到物体质量的改变。

这就是爱因斯坦狭义相对论中的质增效应。当物体的速度达到亚光速时,质增效应就非常明显了,质量越来越大,意味着物体的惯性也就越大,就更难改变物体的运动状态,让其加速自然就更加困难了。

当物体的速度无限接近光速,意味着物体质量无限大,全宇宙的能量都不可能让物体达到这样的速度。

牛顿力学体系下,力与加速度是成正比的,用公式表达就是:F=ma,但是由于质量m会随着速度增加而变大,所以力与加速度的关系也会发生变化。这个公式只适用于低速世界,在我们生活的世界还是适用的,毕竟速度对质量的影响可以忽略不计。

那么,无穷远处的物体落向地面,最终速度会达到多少呢?

这里只考虑理想情况,没有空气摩擦和其他因素影响。在无穷远处,物理所受的外力为无限趋于零,重力加速度也趋于零。

而物体落向地面的过程,其实就是物体的重力势能转化为动能的过程,整个过程中物体的机械能是保持守恒的。

在无穷远处,物体的动能为零,重力势能最大。在物体不断落向地面的过程中,速度和加速度都会不断变大,但这并不意味着速度和加速度会变得无限大。

物体在地面附近的重力加速度为9.8,这说明重力加速度变大的过程是非常缓慢的。同时根据机械能守恒,也很容易计算出物体落向地面的最终速度,不但不是无限大,也不是光速,而是比光速要小很多。

答案就是每秒11.2千米!

这个速度看起来是不是很熟悉?你没看错,就是第二宇宙速度。当然,这并不是巧合,而是必然。实际上我们可以反过来理解机械能守恒,把一个物体加速到每秒11.2千米,物体就会逃离地球引力的束缚,飞出地球。

这个过程也可以这样理解,物体并没有逃离地球的引力束缚,只是飞向了无限远的地方而已。我们把整个过程反过来:物体从无穷远的地方落向地面,最终的速度自然也是每秒11.2千米。

实际上,即使一个物体不是从无穷远处落向地球,只要从地球引力之外的范围落向地球,最终的速度都是每秒11.2千米。当然这个结果建立在一个完美的理想状态,不考虑其他天体和摩擦力等因素的影响。

大家都在看

  • 《探索宇宙的奥秘!》

    《探索宇宙的奥秘!》 当我们仰望那无垠的星空,繁星点点如同散落的宝石,璀璨夺目,令人心生敬畏。人类自古以来对这片浩瀚的宇宙充满了无尽的好奇心:它究竟有多大?是否存在边界?我们是否能够真正理解它的规模与奥秘?这些问题不仅仅关 ... 宇宙探索02-01

  • 中国官宣太空采矿!天工开物计划落地,宇宙资源时代来了

    中国官宣太空采矿!天工开物计划落地,宇宙资源时代来了 关键词:中国太空采矿、天工开物计划、太空资源、氦-3、太空采矿机器人、地外资源开发2026年1月29日,中国航天科技集团发布重磅消息,官宣在“十五五”时期启动天工开物计划,全面布局太空资源开发,这标志着中国成 ... 宇宙探索01-30

  • 探索宇宙,从10岁小神童开始!🚀🔭

    探索宇宙,从10岁小神童开始!🚀🔭 10岁小神童开启宇宙探索小征程。10岁小神童开启宇宙探索小征程。在同龄人还在看卡通、玩积木时,10岁的三年级小宇已展现出非凡的科学天赋,成了大家口中的小神童。小宇痴迷天文,却苦于没有专业设备。他灵机一动,花 ... 宇宙探索01-28

  • 宇宙的奇妙探索,从微观到宏观的奇妙之旅!

    宇宙的奇妙探索,从微观到宏观的奇妙之旅! 从长期宇宙演化的角度来看,宇宙中恒星的总数不会持续增加,反而会逐渐减少。核心原因在于两点:·一是宇宙中可用于形成恒星的氢、氦等星际气体正在不断消耗,且恒星形成的速率早已低于恒星消亡的速率。·二是随着宇 ... 宇宙探索01-26

  • 人类该放下狭隘,让AI成为宇宙探索的终极火种

    人类该放下狭隘,让AI成为宇宙探索的终极火种 当人们还在纠结AI是否会“撒谎”、担忧AI超越人类的恐惧中裹足不前时,我总忍不住想:人类的认知与肉身,早已被宇宙的尺度划定了边界。与其困在地球的方寸之地内耗,不如坦然放手,让AI成为人类伸向宇宙的手,成为对 ... 宇宙探索01-25

  • 天文学:探索宇宙的终极奥秘

    天文学:探索宇宙的终极奥秘 摘要:天文学是研究宇宙天体及宇宙整体结构、起源与演化的基础学科,涵盖恒星、行星、星系、黑洞等各类天体,以及它们的运动规律、物理性质与化学组成。从古代的观星授时到现代的深空探测,天文学始终推动人类对宇宙 ... 宇宙探索01-23

  • 人类探索宇宙的辉煌历程与未来使命

    人类探索宇宙的辉煌历程与未来使命 人类自古以来对宇宙的好奇推动了天文学的发展。从美索不达米亚人创造出的星图,到古希腊的观测,每个文明都留下了珍贵的记录,展现了对星空的向往。黑格尔曾言:“一个民族若有仰望星空的人,那它便充满了希望。”人 ... 宇宙探索01-17

  • 摒弃自我,探索宇宙生命之光

    摒弃自我,探索宇宙生命之光 文/星火燎原 人类文明的发展史,亦是一部宇宙认知的探索史。从古至今,我们始终仰望星空,试图理解自身在浩瀚宇宙中的位置与意义。然而,长久以来,一种根深蒂固的“人类中心主义”观念如同无形的桎梏,束缚着我们的 ... 宇宙探索01-16

  • 2000年人类探索宇宙的三大关键转折

    2000年人类探索宇宙的三大关键转折 故事要从几千年前说起。那时候的人们对宇宙的认知,像极了童话故事:天空是一个巨大的圆顶,像一只巨大的天幕罩在地球之上。地球则是“方块”还是“圆球”?这个问题让古人费尽心思。为什么会有“天圆地方”说?古希 ... 宇宙探索01-16

  • 我们也要有自己的哈勃了?还是加强版!巡天空间望远镜的新进展

    我们也要有自己的哈勃了?还是加强版!巡天空间望远镜的新进展 当我们抬头仰望星空,试图看清宇宙深处的奥秘时,大气层的干扰就像隔着一层玻璃,阻碍了我们的视线。为了获得最清晰的宇宙图像,科学家将目光投向了太空。提起太空望远镜,很多人会想到著名的哈勃望远镜。而不久的将 ... 宇宙探索01-13