DS930810のブログ

主に科学系の雑学や解説を書いていきますがたまに科学以外の雑学も書いていきたいと思います。

国際宇宙ステーションの速度は音速の20倍以上 そして宇宙速度とは...

今日は国際宇宙ステーションが地球上を驚くべきスピードで周回していることと、何故超高速で周回しなければならないかということをメインに書きたいと思います。

 

1. 国際宇宙ステーションの速度

国際宇宙ステーションは地球上空408㎞を周回している世界最大の宇宙ステーションであり、単に宇宙ステーションと言うとこの国際宇宙ステーションのことを指すことが多いです。

そして、国際宇宙ステーションの質量は約344トンもあり、大変重いですが不思議と地上には落下しません。

国際宇宙ステーションには宇宙空間にあるので一見重力がかかっていないようにも見えますが地球の半径が6,378㎞に対してたがたが408㎞しか離れていないためしっかりと重力は受けており、8.676 m/s2と地上の約88.5%の重力を受けています。

当然ではあるが空気も相当希薄な空間なので飛行機と同じ原理で飛ぶこともできません。

では、何故国際宇宙ステーションが落下しないかと言いますと国際宇宙ステーションには地球軌道から脱出しようとする遠心力がかかっており、この遠心力が地球との引力と釣り合っているからです。

実はこの遠心力の強さは非常に大きく、ちょっとやそっとの速度では到底出せないほどなのです。

遠心力は速度の2乗に比例しており、速度が速くなればなるほど遠心力は強くなるが地球との重力と釣り合うには音速を軽く超える速度を必要とします。

では、どれほどの速度かと言いますと...

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このように宇宙ステーションは地球の周りを秒速7.664 (km/s)と言う超高速で周回しており、音速の約22.5倍もの速度になっております。

これほど速いと地球を一周するのもあっという間で地上408㎞の周囲は42,638㎞であるからかかる時間はわずか92.72分程度となります。

まあ、これは軌道が完全な円である計算なので実際とは若干異なり、実際は91分程度で地球を1周しています。

 

もし、この速度より遅くなると宇宙ステーションは地上に落下し、これよりも速いと宇宙の果てまで飛ばされるか地球以外の天体に衝突することになります。

つまり、この速度は地上408㎞を周回するのに必須な速度であり、これよりも遅くても速くてもアウトです。

 

 

 

2. 地上で物を水平に投げると...

 地球上で高さ1メートルから秒速1メートルで物を投げると0.45秒後に0.45メートル先に落ち、秒速10メートルでも0.45秒後に4.5メートル先に落ちます。

このまま速度を上げていってもより遠くに飛ぶだけでいずれは落ちていくように感じますが地球は丸いため、ある速度に達するとずっと落ちないまま永遠に回り続けることができます。

まあ、厳密には空気抵抗がある上に地球は完全に平らではない上に建築物もあるのでずっと回り続けることは不可能ですが...

そもそもぶつかったら大惨事になります。

しかし、これでは話にならないので地球上が平らな上に空気もなく、丸裸な状態を考えます。まあ、そんな地球嫌ですが...

 

この考えは宇宙ステーションの考え方と同じであり、あちらは408㎞上空での話でしたが今回は地上ほぼ0メートルの話、つまり地上すれすれに関してにします。

そして、その時の速度を求めると...

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大体7.905 ㎞/sとなり、宇宙ステーションの速度よりも速いもののそこまで大きさは変わることはありません。

この時の速度のことを一宇宙速度と呼び、第一宇宙速度で地球の周りを周ると1.4時間程度で地球を1周します。

勿論こんな速度で周回すると地上の物体に激突して大爆発するか空気抵抗で跡形もなくなくなるかのどっちかになりますが...

当然この速度は地球の第一速度であり、月の第一速度は異なり大体1.68㎞/sであるので一周するのには1.8時間かかり、意外にも地球よりも一周するのに時間がかかります。

まあ、月は質量が軽いために速度も遅くなるので不思議ではないが...

 

このように遠心力だけで地上をすれすれに回ることができ、この時の速度を第一速度と書いたが第一があるように第二宇宙速度もあります。

 

 

 

3. 第二宇宙速度とは

地球から他の天体に向かう時に超高速でロケットを打ち上げますがこの時の速度はすさまじいぐらいに速いです。

何故速いかと言いますとそれほど速く打ち上げないと地球に引き寄せられて墜落をしてしまうからです。

そして、地球から脱出するのに必要な最低速度のことを第二宇宙速度と呼び、地上から無限遠にまで行ける最小速度を指します。

その速度はどれぐらいかと言いますと...

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実は計算をすると第一宇宙速度の√2倍であることが分かり、11.18 (㎞/s)であることが分かります。

つまり、ロケットはこれ以上の速度で打ち上げていることが分かり、相当なエネルギーを使っていることが分かります。

逆に考えると地球がそれほど強力な力で物体を引き寄せているということです。

 

ちなみに第三宇宙速度も存在し、太陽系から脱出するのに必要な最低速度であるが計算が複雑なのでここでは省きます。