衛星改變軌道時的能量變化:HSC 物理
了解衛星在不同軌道之間移動時,動能、重力勢能與總機械能如何改變。內容包括例題、轉移軌道的能量推理,以及具挑戰性的 HSC 類型題目。
一次引擎點火把衛星提升到更高的圓形軌道。當衛星穩定在該軌道後,它的運動速度反而比之前慢。那麼,引擎究竟是增加了能量,還是移除了能量?
在繼續閱讀前先預測一下。很容易會認為,既然衛星的動能下降,它就失去了能量。但事實正好相反。位於較高圓形軌道上的衛星,總軌道能量更大,即使它的動能較小。
要理解原因,就必須把三種能量清楚區分:重力勢能、動能和總機械能。
01為甚麼較高的軌道可以有較低的速度
想像地球位於一個重力勢阱的底部。靠近地球的衛星處於這個勢阱較深的位置。把衛星移得更遠,它便爬到勢阱較淺的位置,因此它的重力勢能增加。
這個圖像很有幫助,但地球周圍並不真的存在一個碗狀結構。質量為 \(m\) 的衛星,距離一個質量大得多的中心天體 \(M\) 的中心為 \(r\) 時,其精確重力勢能為
\[ U=-\frac{GMm}{r} \]
其中:
- \(U\) 是重力勢能,單位為焦耳 \(\mathrm{J}\),
- \(G\) 是萬有引力常數,\(6.67\times10^{-11}\,\mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\),
- \(M\) 是中心天體的質量,單位為公斤,
- \(m\) 是衛星的質量,單位為公斤,而
- \(r\) 是兩者中心之間的距離,單位為米。
負號經常令人困惑。重力勢能的零點定義在兩個物體相距無限遠的位置。因此,被地球束縛的衛星有 \(U<0\)。
可以把它想像成一個透支的銀行戶口。從 \(-100\) 元變成 \(-60\) 元,是增加了 \(40\) 元,即使餘額仍然是負數。同樣地,遠離地球會使 \(U\) 變得較不負,也就是說 \(U\) 增加了。銀行戶口的比喻只用來幫助理解正負號;重力勢能仍然嚴格遵循上面的反 \(r\) 方程。
如想更完整理解負號以及零點的選擇,可參閱徑向場中的重力勢能。
現在考慮衛星的速度。
對於圓形軌道,重力提供所需的向心力:
\[ \frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r} \]
約去 \(m\) 和一個 \(r\) 因子後,
\[ v^2=\frac{GM}{r} \]
因此
\[ v=\sqrt{\frac{GM}{r}} \]
這在進行任何能量計算之前已告訴我們一件重要的事:當圓形軌道半徑增加時,軌道速度會下降。
這個結果在軌道速度:推導與計算中有更詳細的說明。
02圓形軌道的總能量
動能為
\[ K=\frac{1}{2}mv^2 \]
對圓形軌道代入 \(v^2=GM/r\):
\[ K=\frac{GMm}{2r} \]
總軌道機械能為
\[ E=K+U \]
所以
\[ E=\frac{GMm}{2r}-\frac{GMm}{r} =-\frac{GMm}{2r} \]
因此,任何圓形軌道都有以下三個有用關係:
\[ U=-\frac{GMm}{r},\qquad K=\frac{GMm}{2r},\qquad E=-\frac{GMm}{2r} \]
所以,
\[ U=-2K \]
以及
\[ E=-K=\frac{U}{2} \]
這些關係只保證適用於圓形軌道。不要在橢圓轉移軌道上的任意一點自動套用它們。

圓形軌道的這個規律,最好作為一個互相關聯的整體概念來理解,而不是死記四個彼此獨立的事實。
| 物理量 | 若圓形軌道半徑增加 |
|---|---|
| 軌道速度 \(v\) | 減少 |
| 動能 \(K\) | 減少 |
| 重力勢能 \(U\) | 增加,變得較不負 |
| 總機械能 \(E\) | 增加,變得較不負 |
那麼,當衛星被提升到更高位置時,加入的能量去了哪裏?
對兩個圓形軌道而言,\(U=-2K\)。重力勢能的增加量,是動能減少量的兩倍。剩餘的增加量就表現為總機械能的增加。
只看速度的論證,正正漏掉了這一點。
03計算兩個圓形軌道之間的能量變化
假設衛星最初位於半徑為 \(r_i\) 的圓形軌道,最後位於另一個半徑為 \(r_f\) 的圓形軌道。
它的初始能量為
\[ E_i=-\frac{GMm}{2r_i} \]
最後能量為
\[ E_f=-\frac{GMm}{2r_f} \]
因此,
\[ \Delta E=E_f-E_i \]
得到
\[ \Delta E = \frac{GMm}{2} \left( \frac{1}{r_i}-\frac{1}{r_f} \right) \]
正負號會告訴你能量轉移的方向。
- 如果 \(r_f>r_i\),那麼 \(\Delta E>0\)。軌道能量增加了。
- 如果 \(r_f<r_i\),那麼 \(\Delta E<0\)。軌道能量減少了。
這裏所說的軌道「能級」,只是指與某條軌道相對應的機械能。這些並不是離散的量子能級。
不要把高度當成 \(r\)
這是最容易失分的錯誤之一。
如果一顆衛星位於地球表面上方 \(400\,\mathrm{km}\),它的軌道半徑並不是 \(400\,\mathrm{km}\)。你需要的是從地心量起的距離:
\[ r=R_E+h \]
其中 \(R_E\) 是地球半徑,而 \(h\) 是衛星的高度。
以下例子會使用
\[ R_E=6.37\times10^6\,\mathrm{m} \]
以及
\[ GM_E=3.99\times10^{14}\,\mathrm{m^3\,s^{-2}} \]
其中 \(M_E\) 是地球的質量。
例題:把衛星提升到較高軌道
一顆質量為 \(1200\,\mathrm{kg}\) 的地球衛星,從地球表面上方 \(300\,\mathrm{km}\) 的圓形軌道移到地球表面上方 \(900\,\mathrm{km}\) 的圓形軌道。計算其總軌道機械能的變化。
步驟 1
\[ \begin{aligned} r_i&=6.37\times10^6+0.300\times10^6\\ &=6.67\times10^6\,\mathrm{m} \\[4pt] r_f&=6.37\times10^6+0.900\times10^6\\ &=7.27\times10^6\,\mathrm{m} \end{aligned} \]
步驟 2
\[ \begin{aligned} \Delta E &= \frac{GM_Em}{2} \left( \frac{1}{r_i}-\frac{1}{r_f} \right)\\ &= \frac{(3.99\times10^{14})(1200)}{2} \left( \frac{1}{6.67\times10^6} - \frac{1}{7.27\times10^6} \right)\\ &=2.96\times10^9\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
步驟 3
結果為正,表示衛星的軌道機械能增加了 \(2.96\times10^9\,\mathrm{J}\)。
它最後的速度較低,但這並不代表 \(\Delta E\) 是負數。
事實上,由於初始和最終狀態都是圓形軌道,
\[ \Delta K=-\Delta E=-2.96\times10^9\,\mathrm{J} \]
而
\[ \Delta U=2\Delta E=+5.92\times10^9\,\mathrm{J} \]
衛星增加了 \(5.92\,\mathrm{GJ}\) 的重力勢能,同時失去了 \(2.96\,\mathrm{GJ}\) 的動能。淨增加量為 \(2.96\,\mathrm{GJ}\)。
04軌道改變期間實際發生了甚麼?
\(\Delta E\) 的方程比較的是初始和最終的圓形軌道狀態。它並不表示衛星會以某種方式直接從一個圓形軌道「跳」到另一個圓形軌道。
考慮一種常見的兩次點火轉移:從較低的圓形軌道轉移到較高的圓形軌道。
在較低軌道上,衛星首先沿着原本的運動方向點燃引擎。這稱為順行點火。
在一次短暫點火期間,我們通常近似認為衛星的位置不變。這表示 \(r\),因此 \(U\),在點火期間幾乎沒有改變。即時效果是速度、動能和總機械能增加。
這時,衛星移動得太快,無法繼續停留在原本的圓形路徑上。它進入一條轉移軌道,並開始遠離地球。
引擎關閉後會發生甚麼?
繼續之前先預測一下。衛星愈升愈高,它的總能量會不會因此繼續增加?
不會。在引擎關閉的滑行階段,重力是保守力,因此總機械能保持不變。當衛星向外移動時:
- \(U\) 增加,
- \(K\) 減少,
- \(E\) 保持不變,而
- 衛星減速。
在轉移軌道的最高點,另一次順行點火可以把衛星的速度提高到足以使軌道圓化。第二次點火再次增加 \(K\) 和 \(E\)。

這裏有一個看似矛盾的現象:
衛星在兩次點火時都會加速,但它最終在較高圓形軌道上的速度,仍然可能低於它原先在較低圓形軌道上的速度。
這並不矛盾。點火期間的比較,和初末狀態之間的比較,是兩種不同的比較。
05降低軌道會產生看似相反的悖論
假設衛星由較高的圓形軌道移到較低的圓形軌道。
它最後的圓形軌道速度會較大:
\[ v=\sqrt{\frac{GM}{r}} \]
較小的 \(r\) 意味着較大的 \(v\)。
然而,衛星的總機械能必須下降,因為
\[ E=-\frac{GMm}{2r} \]
會隨着 \(r\) 減少而變得更負。
典型的轉移會先進行一次逆行點火,也就是引擎降低衛星的速度。這會降低它的動能和總機械能。
衛星接着向內墜落。在這段引擎關閉的過程中,總能量保持不變,但重力勢能下降,而動能增加。重力使衛星加速。
之後可再進行一次逆行點火,使較低的軌道圓化。
因此,一顆衛星最後可以移動得更快,即使它的引擎整體上移除了軌道機械能。
例題:較低軌道,較高最終速度
一顆 \(850\,\mathrm{kg}\) 的地球衛星,從高度 \(1600\,\mathrm{km}\) 的圓形軌道移至高度 \(400\,\mathrm{km}\) 的圓形軌道。求總機械能、動能和重力勢能的變化,然後比較初始和最終的軌道速度。
步驟 1
\[ \begin{aligned} r_i&=6.37\times10^6+1.60\times10^6\\ &=7.97\times10^6\,\mathrm{m} \\[4pt] r_f&=6.37\times10^6+0.400\times10^6\\ &=6.77\times10^6\,\mathrm{m} \end{aligned} \]
步驟 2
\[ \begin{aligned} \Delta E &= \frac{(3.99\times10^{14})(850)}{2} \left( \frac{1}{7.97\times10^6} - \frac{1}{6.77\times10^6} \right)\\ &=-3.77\times10^9\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
負號表示衛星失去了 \(3.77\,\mathrm{GJ}\) 的軌道機械能。
步驟 3
對圓形的初末狀態,
\[ \Delta K=-\Delta E \]
所以
\[ \Delta K=+3.77\times10^9\,\mathrm{J} \]
另外,
\[ \Delta U=2\Delta E \]
因此
\[ \Delta U=-7.54\times10^9\,\mathrm{J} \]
重力勢能下降了 \(7.54\,\mathrm{GJ}\)。這個淨減少量的一半表現為額外的動能,而衛星的總機械能則下降了 \(3.77\,\mathrm{GJ}\)。
步驟 4
初始時,
\[ v_i = \sqrt{\frac{3.99\times10^{14}}{7.97\times10^6}} = 7.08\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \]
最後,
\[ v_f = \sqrt{\frac{3.99\times10^{14}}{6.77\times10^6}} = 7.68\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \]
即使總機械能下降了,衛星最後仍快了約 \(0.60\,\mathrm{km\,s^{-1}}\)。
被忽略的概念是重力勢能。只看速度會得出錯誤結論。
06圓形軌道能量公式並不適用於軌道上的每一點
方程
\[ E=-\frac{GMm}{2r} \]
含有 \(r\),但這並不表示只要衛星恰好位於距離 \(r\) 的位置,你就可以使用它。
它是利用圓形軌道條件
\[ v^2=\frac{GM}{r} \]
推導出來的,所以只有當衛星確實位於半徑為 \(r\) 的圓形軌道時才適用。
在橢圓轉移軌道上,如果你知道衛星的速度和位置,就應使用一般機械能公式:
\[ E=\frac{1}{2}mv^2-\frac{GMm}{r} \]
這個區別在轉移軌道的最高點和最低點尤其重要。衛星可以在某一瞬間位於與某條圓形軌道完全相同的半徑,但它的速度卻不符合該圓形軌道所需的速度。
單憑半徑並不能確定軌道。
07實用判斷規則
遇到軌道能量問題時,首先判斷衛星實際處於甚麼狀態。
| 情況 | 應使用 |
|---|---|
| 衛星位於已知半徑的圓形軌道 | \(E=-GMm/(2r)\) |
| 比較兩個圓形軌道的初末狀態 | \(\Delta E=\frac{GMm}{2}\left(\frac{1}{r_i}-\frac{1}{r_f}\right)\) |
| 已知衛星的 \(r\) 和 \(v\),但不知道軌道是否為圓形 | \(E=\frac12mv^2-GMm/r\) |
| 衛星在只有重力作用下滑行 | \(E\) 保持不變 |
| 衛星進行理想化的短暫點火 | \(r\) 近似不變,所以 \(E\) 的即時變化來自 \(K\) 的變化 |
還有一個值得區分的概念。衛星軌道機械能的改變,並不等同於火箭所消耗的化學能。
例如,如果
\[ \Delta E=+3.0\times10^9\,\mathrm{J} \]
那麼衛星-地球軌道系統增加了 \(3.0\,\mathrm{GJ}\) 的機械能。真實的推進系統也會把能量傳給廢氣、熱以及其他形式。因此,你不能直接由 \(\Delta E\) 推斷燃料消耗量。
一般的 HSC 模型亦假設中心天體的質量遠大於衛星,忽略大氣阻力和其他天體的影響,並把短暫點火視為實際上瞬時完成。
08問題與解答
問題 1
一顆 \(600\,\mathrm{kg}\) 的衛星,由地球表面上方 \(400\,\mathrm{km}\) 的圓形軌道提升到另一條位於地球表面上方 \(1000\,\mathrm{km}\) 的圓形軌道。
使用 \(R_E=6.37\times10^6\,\mathrm{m}\) 以及 \(GM_E=3.99\times10^{14}\,\mathrm{m^3\,s^{-2}}\)。
計算衛星總軌道機械能的變化,並指出能量是增加了還是減少了。
解答 1
衛星的總軌道機械能增加 \(1.44\times10^9\,\mathrm{J}\),所以軌道能量增加了。
首先把高度轉換成距離地心的距離:
\[ \begin{aligned} r_i&=6.37\times10^6+0.400\times10^6 =6.77\times10^6\,\mathrm{m}\\ r_f&=6.37\times10^6+1.00\times10^6 =7.37\times10^6\,\mathrm{m} \end{aligned} \]
對圓形軌道的初末狀態,
\[ \Delta E = \frac{GM_Em}{2} \left( \frac{1}{r_i}-\frac{1}{r_f} \right) \]
代入數值,
\[ \begin{aligned} \Delta E &= \frac{(3.99\times10^{14})(600)}{2} \left( \frac{1}{6.77\times10^6} - \frac{1}{7.37\times10^6} \right)\\ &=1.44\times10^9\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
一個很容易犯的錯誤,是直接把 \(400\,\mathrm{km}\) 和 \(1000\,\mathrm{km}\) 當作 \(r\)。重力方程要求使用距離地心的距離,而不是離地表的高度。
最後的圓形軌道速度比初始速度低,但衛星重力勢能的增加量大於動能的減少量。因此,它的總機械能增加。
問題 2
一顆 \(1000\,\mathrm{kg}\) 的衛星,最初位於半徑 \(8.00\times10^6\,\mathrm{m}\) 的地球圓形軌道。一次短暫的順行點火,使它的速度增加 \(5.0\%\),而它距離地心的距離實際上保持不變。
使用 \(GM_E=3.99\times10^{14}\,\mathrm{m^3\,s^{-2}}\)。
求:
- 點火前和剛點火後的速度,
- 點火期間軌道機械能的變化,
- 點火後一刻它是否仍受重力束縛,以及
- 之後引擎關閉並向外滑行時,\(K\)、\(U\) 和 \(E\) 如何變化。
解答 2
速度由 \(7.06\,\mathrm{km\,s^{-1}}\) 增加至 \(7.42\,\mathrm{km\,s^{-1}}\),點火增加了 \(2.56\times10^9\,\mathrm{J}\) 的軌道機械能,而衛星仍然受重力束縛。在向外滑行期間,\(K\) 減少、\(U\) 增加,而 \(E\) 保持不變。
初始圓形軌道速度為
\[ \begin{aligned} v_i &=\sqrt{\frac{GM_E}{r}}\\ &=\sqrt{\frac{3.99\times10^{14}}{8.00\times10^6}}\\ &=7.06\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
增加 \(5.0\%\) 後,
\[ v_f=1.05v_i =7.42\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \]
由於點火時間很短,\(r\) 基本不變。因此重力勢能在點火期間沒有明顯改變,所以
\[ \Delta E=\Delta K \]
而
\[ \begin{aligned} \Delta E &=\frac12m(v_f^2-v_i^2)\\ &=\frac12(1000) \left[ (7.415\times10^3)^2-(7.062\times10^3)^2 \right]\\ &=2.56\times10^9\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
點火前,圓形軌道能量為
\[ E_i = -\frac{GM_Em}{2r} = -\frac{(3.99\times10^{14})(1000)} {2(8.00\times10^6)} = -2.49\times10^{10}\,\mathrm{J} \]
因此,
\[ E_{\text{after}} = -2.49\times10^{10} + 2.56\times10^9 = -2.24\times10^{10}\,\mathrm{J} \]
總能量仍然是負數,所以衛星仍受重力束縛。
一個很容易出現的論證是:既然衛星上升時勢能增加,它一定會繼續增加總能量。被忽略的限制條件是,此時引擎已經關閉。重力是保守力,因此總機械能保持固定。\(U\) 的增加來自 \(K\) 的減少。
問題 3
一顆 \(900\,\mathrm{kg}\) 的衛星,由半徑 \(1.20\times10^7\,\mathrm{m}\) 的地球圓形軌道移到半徑 \(7.00\times10^6\,\mathrm{m}\) 的較低圓形軌道。
使用 \(GM_E=3.99\times10^{14}\,\mathrm{m^3\,s^{-2}}\)。
計算:
- \(\Delta U\),
- \(\Delta K\),
- \(\Delta E\),以及
- 初始和最終的圓形軌道速度。
任務報告指出,推進系統在機動過程中移除了軌道機械能,即使衛星最後的速度更高。解釋為甚麼這兩個敘述可以同時正確。
解答 3
衛星失去 \(1.07\times10^{10}\,\mathrm{J}\) 的總軌道機械能,而其動能增加相同的數值。它的速度由 \(5.77\,\mathrm{km\,s^{-1}}\) 增加至 \(7.55\,\mathrm{km\,s^{-1}}\),原因是重力勢能下降了 \(2.14\times10^{10}\,\mathrm{J}\)。
對重力勢能,
\[ \begin{aligned} \Delta U &= -\frac{GM_Em}{r_f} +\frac{GM_Em}{r_i}\\ &= (3.99\times10^{14})(900) \left( \frac{1}{1.20\times10^7} - \frac{1}{7.00\times10^6} \right)\\ &=-2.14\times10^{10}\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
對圓形軌道,
\[ K=\frac{GMm}{2r} \]
所以
\[ \begin{aligned} \Delta K &= \frac{GM_Em}{2} \left( \frac{1}{r_f}-\frac{1}{r_i} \right)\\ &=+1.07\times10^{10}\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
因此,
\[ \begin{aligned} \Delta E &=\Delta K+\Delta U\\ &= 1.07\times10^{10} - 2.14\times10^{10}\\ &=-1.07\times10^{10}\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
現在比較圓形軌道速度:
\[ \begin{aligned} v_i &= \sqrt{\frac{3.99\times10^{14}}{1.20\times10^7}} = 5.77\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}}\\ v_f &= \sqrt{\frac{3.99\times10^{14}}{7.00\times10^6}} = 7.55\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
很容易誤以為動能就代表衛星全部的能量。事實並非如此。
當衛星向內移動時,它的重力勢能下降 \(2.14\times10^{10}\,\mathrm{J}\)。動能只增加 \(1.07\times10^{10}\,\mathrm{J}\)。餘下的 \(1.07\times10^{10}\,\mathrm{J}\) 對應於總機械能的下降。
因此,較低的圓形軌道可以同時具有較大的動能和較小的總機械能。
問題 4
一顆 \(1000\,\mathrm{kg}\) 的衛星到達一條橢圓轉移軌道的最高點,當時距離地心 \(1.40\times10^7\,\mathrm{m}\)。在那一瞬間,它的速度方向為切向,大小為 \(4.00\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}}\)。
一名學生把 \(r=1.40\times10^7\,\mathrm{m}\) 代入
\[ E=-\frac{GMm}{2r} \]
並聲稱這就是衛星當前的總能量。
使用 \(GM_E=3.99\times10^{14}\,\mathrm{m^3\,s^{-2}}\):
- 計算衛星實際的總機械能,
- 計算相同半徑下圓形軌道的總能量,
- 判斷要在該位置把軌道圓化,所需點火的方向,以及
- 計算所需增加的軌道機械能。
解答 4
學生的方法無效:衛星的實際能量為 \(-2.05\times10^{10}\,\mathrm{J}\),而在相同半徑上的圓形軌道能量為 \(-1.43\times10^{10}\,\mathrm{J}\)。因此,順行圓化點火必須增加 \(6.25\times10^9\,\mathrm{J}\) 的軌道機械能。
衛星尚未處於圓形軌道,因此使用一般公式
\[ E=\frac12mv^2-\frac{GMm}{r} \]
它的動能為
\[ \begin{aligned} K &=\frac12(1000)(4.00\times10^3)^2\\ &=8.00\times10^9\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
它的重力勢能為
\[ \begin{aligned} U &= -\frac{(3.99\times10^{14})(1000)} {1.40\times10^7}\\ &=-2.85\times10^{10}\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
因此,
\[ E_{\text{transfer}} = 8.00\times10^9-2.85\times10^{10} = -2.05\times10^{10}\,\mathrm{J} \]
在這個半徑上,圓形軌道的能量為
\[ \begin{aligned} E_{\text{circ}} &= -\frac{GM_Em}{2r}\\ &= -\frac{(3.99\times10^{14})(1000)} {2(1.40\times10^7)}\\ &=-1.425\times10^{10}\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
圓形軌道速度應為
\[ \begin{aligned} v_{\text{circ}} &= \sqrt{\frac{GM_E}{r}}\\ &= \sqrt{\frac{3.99\times10^{14}}{1.40\times10^7}}\\ &=5.34\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
衛星目前只有 \(4.00\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}}\),因此它必須加速。所需的是順行點火。
所需增加的機械能為
\[ \begin{aligned} \Delta E &= E_{\text{circ}}-E_{\text{transfer}}\\ &= -1.425\times10^{10} - (-2.05\times10^{10})\\ &=6.25\times10^9\,\mathrm{J} \end{aligned} \]
很容易誤以為只要知道 \(r\),就能自動決定軌道能量。只有在你同時知道軌道為圓形時才可以。圓形軌道能量公式包含一個隱含條件:速度必須滿足 \(v^2=GM/r\)。
在這條轉移軌道的最高點,衛星位於正確的半徑,但移動得太慢,不能維持圓形軌道。這就是為甚麼需要再進行一次點火。
問題 5
在距離地心
\[ r=1.00\times10^7\,\mathrm{m} \]
的位置,一顆衛星被量得其總軌道機械能恰好等於該半徑上圓形軌道的能量:
\[ E=-\frac{GM_Em}{2r} \]
然而,追蹤數據顯示它的速度具有一個向外的徑向分量:
\[ v_r=2.00\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \]
使用 \(GM_E=3.99\times10^{14}\,\mathrm{m^3\,s^{-2}}\)。
求:
- 衛星的總速度,
- 它的切向速度,
- 它是否真的處於圓形軌道,
- 要使它在相同半徑上進入圓形軌道,理想瞬時速度改變的大小,以及
- 相應的軌道機械能變化。
解釋為甚麼即使軌道機械能沒有改變,仍可以出現非零的速度改變。
解答 5
衛星並不處於圓形軌道。它的總速度為 \(6.32\,\mathrm{km\,s^{-1}}\),切向分量為 \(5.99\,\mathrm{km\,s^{-1}}\),而大小約 \(2.03\,\mathrm{km\,s^{-1}}\) 的理想速度改變,可以在軌道機械能淨變化為零的情況下使軌道圓化。
由量得的能量開始:
\[ \frac12mv^2-\frac{GM_Em}{r} = -\frac{GM_Em}{2r} \]
把勢能項移到等式另一邊:
\[ \frac12mv^2 = \frac{GM_Em}{2r} \]
所以
\[ v^2=\frac{GM_E}{r} \]
因此,
\[ \begin{aligned} v &= \sqrt{\frac{3.99\times10^{14}}{1.00\times10^7}}\\ &=6.32\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
這正好等於該半徑上的圓形軌道速度大小。
很容易在這裏產生一個錯誤論證:半徑正確、總能量正確,而且速度大小也正確,似乎就能保證這是一條圓形軌道。
其實不能。
圓形軌道還要求速度完全沿切向。這顆衛星有一個向外的徑向速度分量 \(2.00\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}}\)。
徑向和切向分量互相垂直,所以
\[ v^2=v_r^2+v_t^2 \]
因此,
\[ \begin{aligned} v_t &= \sqrt{v^2-v_r^2}\\ &= \sqrt{ (6.316\times10^3)^2 - (2.00\times10^3)^2 }\\ &=5.99\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
若要在這個半徑立即把軌道圓化,最終速度必須滿足
\[ v_{r,f}=0 \]
以及
\[ v_{t,f}=6.316\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \]
因此,兩個分量所需的改變分別為
\[ \Delta v_r=-2.00\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \]
以及
\[ \Delta v_t = 6.316\times10^3-5.992\times10^3 = 0.325\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \]
所需速度改變的大小為
\[ \begin{aligned} |\Delta\vec v| &= \sqrt{(\Delta v_r)^2+(\Delta v_t)^2}\\ &= \sqrt{ (2.00\times10^3)^2 + (0.325\times10^3)^2 }\\ &=2.03\times10^3\,\mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
然而,軌道機械能的變化為
\[ \Delta E=0 \]
為甚麼?
在理想化點火的開始和結束時,衛星都位於相同半徑,因此它的重力勢能沒有改變。它的初始和最終速度大小亦相同,所以動能沒有改變。
點火改變的是速度向量的方向,而不是其整體大小。
這揭示了只使用能量的一項重要限制。機械能是標量。它可以告訴你某個狀態具有多少能量,但不包含運動方向。兩個軌道狀態可以具有相同的 \(r\)、相同的速度大小以及相同的總能量,但速度方向不同,因此軌跡也不同。
真實的火箭仍然需要消耗推進劑來產生所需的衝量。衛星的軌道機械能變化為零,並不表示燃料消耗為零。
09掌握這個概念後可以進一步做甚麼
當你能夠清楚區分 \(K\)、\(U\) 和 \(E\) 後,軌道轉移就會容易理解得多。
對圓形軌道而言,關鍵關係是
\[ E=-\frac{GMm}{2r} \]
較高的圓形軌道具有較大的總能量,但較小的動能。較低的圓形軌道具有較小的總能量,但較大的動能。在引擎關閉的轉移階段,總機械能保持不變,而動能和重力勢能彼此轉換。
下一個重要界線是 \(E=0\)。圓形軌道和橢圓形的束縛軌道都有負的總能量。加入足夠的能量,使總能量達到零,衛星便到達逃離中心天體重力場的臨界狀態,而不是移到另一個受束縛的軌道能級。