如果有无限长的梯子,能否在不到第一宇宙速度的情况下离开地球?
更新于:2025-04-09 04:17:00

问题中的“无限长”梯子,不妨理解为“足够长”,即便数百万公里长也依然坚固不变形。在探讨这个假设之前,我们需要不考虑诸如材料、工艺、固定方式以及地球材料供应等问题,集中在这个思想实验的核心上。我们先来了解与第一宇宙速度相关的一些知识。

地球上的物体受地球引力影响,被固定于地表。要从地球表面离开,需要克服这种引力,通常有两种方法:一种是不断向上施加动力使物体或人远离地球引力范围,比如火箭升空阶段应用的原理,或是人通过攀爬梯子将自身化学能转化为攀升的动力。

题目中的方法属于这种方式,关于其可行性,稍后我们会作出综合分析。第二种方法则涉及改变物体的运动方向,使得运动方向与引力方向形成夹角,这样就能避免物体直接被引力拉回地面,这种运动即为圆周运动。在实现这种运动之前,需要物体具备足够的初速度,这就是所谓的第一宇宙速度。

第一宇宙速度定义为使物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度,亦称环绕速度。这个计算可以通过重力与向心力的关系求出,得出其为7.9公里/秒。达到这一速度可以实现离地球表面环绕飞行,但不代表完全逃出地球引力。需要注意的是,环绕速度会随着高度增加而减小,比如在距地心两倍地球半径处的环绕速度缩减至5.94公里/秒,而距地心十倍地球半径时为2.5公里/秒。

将上述两种方式结合考虑,如若梯子足够长,则可成为地球的一部分,并随地球自转。由于梯子和地球同角速度旋转,梯子顶端的线速度会随着高度增加。假设在某个高度达到该高度的环绕速度,人从此处离开梯子将成为一个环绕地球的人造卫星,在未达第一宇宙速度下实现环绕。

对此种现象的实现,轨道高度为地球同步轨道——约36000公里。在该高度,梯子顶部的线速度为3.1公里/秒,人可以以此速度在环绕地球时不再坠回地表,尽管其速度低于第一宇宙速度。

然而,超出36000公里会产生更快线速度,加大了远高于此高度部分的离心趋势,导致梯子可能被破坏,或对地球产生致命影响。若引力克服理论有效,且完全环绕地球被视为“离开地球”,答案是肯定的:攀爬到此高度且未达第一宇宙速度可离开地球。

如果思考物理意义上完全离开地球引力,即引出“希尔球”概念,为尺度以内完全受行星引力主导的区域。对于地球,此球半径约为150万公里。理想化情况下,梯子需达此高度,但此速度远超第一宇宙速度,因此答案在此假设下是否定的。

总结而言,若认为环绕即为离开地球,答案是肯定的;若要求脱出引力圈,则否定;若要求达到逃逸速度即可离开,答案同样肯定,但需注意上述风险。