漂浮在太空中的宇航员

“宇航员在太空中能飘起来是因为他们脱离了地心引力。”

这可能是我们每个人从小都知道关于宇航员为什么能在飞船里飘来飘去的标准答案，一般情况下也很少有人去怀疑这个答案的真实性。

不过仔细想一想，这个答案其实经不起推敲。飞船距离地球表面不过几百公里，这个距离比起地球半径（平均6371公里）小很多，为什么在地表还受到这么大的引力，往上走几百公里引力就消失了呢？

如果学过一点物理，就会知道万有引力定律：任意两个物体之间都会相互吸引，引力大小与两个物体的乘积成正比，与两个物体质心之间的距离平方成反比。根据牛顿爵爷的理论，一个在地面受到1000牛顿引力的宇航员，到了400公里高度的太空，按照平方距离反比的关系，受到的引力应该有：

也就是说，即使在400公里的高度的飞船里，那个在地面受到1000牛顿引力的宇航员还应该受到885牛顿的引力，怎么就能飘起来呢？这不科学啊，牛顿爵爷和从小我们听到的答案肯定有一个是错的。

牛爵爷确实也不完全对，但要揪牛爵爷的不足必须要搬出爱因斯坦老爷子的广义相对论，这远远超出了本文的范围。实际上即使对于真正的宇宙飞船，牛爵爷万有引力定律计算的精度也完全足够了。在这个问题上，我们肯定地说，牛爵爷没有错，飞船里的宇航员肯定还是受到地球引力作用的。那我们从小听到的答案错在哪里呢？

牛顿爵爷

先来设想这样一个场景：假设有一个气球能垂直地飞到400公里高度，相对于地面的速度为0，有个人在这个高度往下跳会怎么样呢？可以想象，他跟从4000米高的飞机上跳下来没什么区别，会笔直冲向地面（实际上因为气球在那个高度的线速度大于地面线速度，往下落的轨迹会有一些倾斜）。

高空往下跳

但如果这个人不是在一个相对于地面速度为0的热气球上，而是在一个速度非常快的宇宙飞船里往外跳，会是什么情况呢？显然，他会在地球的引力作用下往下掉。但别忘记了，他还在高速往前飞，所以下落的轨迹肯定不是笔直冲向地面，而是一条弧线。

那么会不会有这样一种情况，当宇宙飞船速度足够大的时候，这个人一边往下掉，一边往前飞，划出的曲线曲率与飞船所在的圆轨道一样，那他是不是永远都掉不到地面上了呢？

实际上，宇宙飞船正是这样一种情况，一边在地球引力作用下自由向下掉，一边又高速往前飞。在某个特定的速度下，飞船将划出一个大圆圈，而永远掉不到地球上。地球的引力始终朝着地心的方向，而飞船前进的方向始终垂直于引力方向，这就好比用一根绳子拴着一个小球甩圆圈，这个小球在绳子拉力作用下向前运动，最后结果就是跑了一个圆形的轨迹。

链球：在链子的拉力下球向前运动，结果就形成绕圈运动

在物理学里，做圆周运动的物体会产生沿半径朝外的离心力（家里洗衣机就是用这个原理来甩干衣服）。宇宙飞船也不例外，绕着地球飞时会产生一个背离地球的离心力。而地球的引力则把宇宙飞船拉向地心。当在一个特定的速度下，引力和离心力大小一样，宇宙飞船就会绕着地球愉快地转圈了。

飞船运动轨迹的形成

至于东西为什么会飘起来，这个经验大家可能都有。坐过山车往下冲的时候，汽车高速行驶突然下坡的时候，蹦极的时候，都会有失重的感觉，感觉整个人都会飘起来。宇宙飞船那完全是在地球引力作用下做自由落体运动（同时高速向前飞），里面东西当然会因为失重而飘起来。这也可以解释为宇宙飞船里面所有的东西受到的地心引力和离心力大小一样，合力相当于0，自然就飘起来了。

所以，宇航员能飘起来，真正的原因并不是脱离了地球的引力，而正是在地球引力的作用下一边往下掉一边往前飞的结果，明白了吗？以后再也不要告诉小朋友宇航员飘起来是因为脱离地心引力了。

发射火箭跟扔石头一个道理

其实，发射宇宙飞船的过程，就跟扔石头一样，扔得越快，石头就飞得越远。快到一定程度，这个石头就绕着地球转，再也回不来了。那么问题来了，如果有绿巨人那么大的力气，这石头扔得比绕着地球转的速度还要快，那这石头是怎么个飞法呢？

飞出太阳系边界的旅行者2号