Ở độ cao bao nhiêu thì không còn lực hút Trái đất

Khi bạn đá quả bóng hay bắn viên đạn lên trời, dù cao đến đâu, rồi chúng cũng rơi xuống đất. Tại sao chúng không lên cao mãi và “đi luôn” nhỉ? Đơn giản là tất cả các vật thể quanh Trái đất đều không thể “chạy trốn” khỏi sức hút của nó?

Vậy mà các vệ tinh nhân tạo và phi thuyền không gian vẫn có thể bay quanh Trái đất rất nhiều ngày mà không bị rơi?

Vệ tinh nhân tạo

Phi thuyền không gian

Muốn giải thích điều này, trước tiên chúng ta hãy làm một thí nghiệm đơn giản: Buộc một vật nặng vào đầu dây, cầm chắc đầu kia sợi dây và quay mạnh. Tay bạn sẽ cảm thấy có một lực kéo căng ra các phía. Tốc độ quay càng nhanh, lực kéo đi ra càng mạnh. Lực kéo đó gọi là lực ly tâm. Một lực khác của sợi dây giữ chặt vật nặng và bắt nó quay tròn, gọi là lực hướng tâm. Lực ly tâm và lực hướng tâm tuy ngược nhau nhưng cân bằng và tác động vào hai vật thể (sợi dây và vật nặng). Mọi vật khi chuyển động tròn đều bị tác động của lực hướng tâm. 11,2 kmI giây mới thắng sức hút Trái đất

Khi bay, vệ tinh nhân tạo cũng chịu tác dụng của lực hướng tâm cẩn thiết không đủ lớn, thì sức hút này không những buộc vệ tinh nhân tạo phải bay quanh mà còn kéo nó trở lại Trái đất.

Chỉ khi vệ tinh nhân tạo bay với tốc độ cực lớn, đến mức lực hướng tâm hoàn toàn dùng vào chuyển động tròn của vệ tinh thì nó mới không bị rơi. Theo tính toán khoa học, để khả năng này không xảy ra, vệ tinh nhân tạo phải đạt tốc độ 7,8 kmI giây và phải bay theo hướng ném văng ra khỏi mặt nước. Tốc độ này được gọi là “tốc độ vũ trụ 1”.

Tuy vậy, ngay cả ở tốc độ này, do gặp phải lớp không khí mỏng ngoài Trái đất, vệ tinh sẽ chuyển động chậm dần và cuối cùng rơi vào tầng khí quyển đậm đặc, cọ sát nóng lên và bốc cháy.

Để khắc phục hiện tượng đó và “thoát ly” khỏi Trái đất, vệ tinh phải đạt tốc độ 11,2 km / giây, khi đó nó sẽ trở thành vệ tinh nhân tạo. Tốc độ này còn gọi là “tốc độ thoát ly” hoặc “tốc độ vũ trụ 2”.

Nếu muốn bay tới các hành tinh khác, vệ tinh cẩn đạt tốc độ 16,7 km/giây. Tốc độ này là “tốc độ vũ trụ 3”.

Ở đâu các vật nặng hơn?

Càng lên cao, lực Trái đất hút các vật càng giảm, vì thế, chúng càng nhẹ đi. Nếu vượt ra khỏi bầu khí quyển của Trái đất, trọng lượng của vật sẽ bằng 0. Suy ngược ra, bạn có thể cho rằng càng vào sâu trong lòng đất, vật càng nặng hơn. Chú ý nhé, điều này hoàn toàn là ngộ nhận!

Trái đất hút những vật thể bên ngoài y như toàn bộ khối lượng của nó tập trung ở tâm. Theo định luật vạn vật hấp dẫn, lực hút giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, càng lên cao, lực hút của Trái đất lên các vật càng yếu đi.

Nếu đưa quả cân 1 kg lên độ cao 6.400 km,tức là dời nó ra xa tâm Trái đất gấp hai lần bán kính Trái đất, thì lực hút sẽ giảm đi 2 mũ 2 lần, tức là 4 lần, và quả cân treo vào cân lò xo sẽ chỉ nặng cả thảy 250 gram, chứ không phải 1 kg. Nếu đem quả cân đi xa mặt đất 12.800 km, tức là xa tâm Trái đất gấp 3 lẩn, thì lực hút giảm đi 9 lẩn, quả cân 1kg lúc này chỉ còn nặng 111 g…

Từ tính toán trên, tất bạn sẽ nảy ra ý kiến cho rằng khi đưa quả cân vào sâu trong lòng Trái đất, tức là khi đưa vật tiến về tâm, thì ta phải thấy sức hút tăng hơn, hay khi đó quả cân nặng hơn. Song, thực tế, vật thể không tăng trọng lượng khi đưa vào sâu trong lòng Trái đất, mà ngược lại, nhẹ đi.

Sở dĩ như thế là vì bây giờ vật thể không còn chịu sức hút từ một phía nữa, mà là từ nhiều phía trong lòng đất (dưới, trái, phải.). Rút cục, các lực hút của quả cầu có bán kính bằng khoảng cách từ tâm Trái đất đến chỗ đặt đồ vật là có giá trị. Vì vậy, càng đi sâu vào lòng Trái đất thì trọng lượng của vật càng giảm nhanh. Khi tới tâm Trái đất, vật trở thành không trọng lượng.

Như thế, ở trên mặt đất, vật sẽ nặng hơn cả (1)

(1) Tình hình xảy ra đúng như thế nếu Trái đất hoàn toàn đồng nhất về khối lượng riêng. Nhưng trên thực tế, khối lượng riêng của Trái đất tăng lên khi vào gẩn tâm: Vì vậy, khi vào sâu trong lòng Trái đất thì thoạt đẩu trọng lực tăng lên một khoảng nào đó, rồi sau đó mới bắt đẩu giảm.

Khi đưa vật vào sâu lòng đất, các lực tác dụng từ nhiều phía, song chỉ còn lực hút từ tâm trái đất đặt vào vật là có giá trị.

Trái đất hút những vật thể bên ngoài y như toàn bộ khối lượng của nó tập trung ở tâm. Theo định luật hấp dẫn, lực hút giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, càng lên cao, lực hút của trái đất lên các vật càng yếu đi.

Nếu đưa quả cân 1 kg lên độ cao 6.400 km, tức là dời nó ra xa tâm trái đất gấp hai lần bán kính trái đất, thì lực hút sẽ giảm đi 2 mũ 2 lần, tức là 4 lần, và quả cân treo vào cân lò xo sẽ chỉ nặng cả thảy 250 gram, chứ không phải 1 kg. Nếu đem quả cân đi xa mặt đất 12.800 km, tức là xa tâm trái đất gấp ba lần, thì lực hút giảm đi 9 lần, quả cân 1 kg chỉ còn nặng 111 g….

Từ tính toán trên, tất bạn sẽ nảy ra ý kiến cho rằng khi đưa quả cân vào sâu trong lòng trái đất, tức là khi đưa vật tiến về tâm, thì ta phải thấy sức hút tăng hơn, hay quả cân nặng hơn. Song, thực tế, vật thể không tăng trọng lượng khi đưa vào sâu trong lòng trái đất, mà ngược lại, nhẹ đi.

Sở dĩ như thế là vì bây giờ vật thể không còn chịu sức hút từ một phía nữa, mà là từ nhiều phía trong lòng đất (dưới, trái, phải...). Rút cục, các lực từ mặt bên, từ bên trên... triệt tiêu lẫn nhau, chỉ còn lại lực hút của quả cầu có bán kính bằng khoảng cách từ tâm trái đất đến chỗ đặt vật là có giá trị. Vì vậy, càng đi sâu vào lòng trái đất thì trọng lượng của vật càng giảm nhanh. Khi tới tâm trái đất, vật trở thành không trọng lượng.

Như thế, ở trên mặt đất, vật sẽ nặng hơn cả (*).

* Tình hình xảy ra đúng như thế nếu trái đất hoàn toàn đồng nhất về khối lượng riêng. Nhưng thực tế, khối lượng riêng của trái đất tăng lên khi vào gần tâm: Vì vậy, khi vào sâu trong lòng trái đất thì thoạt đầu trọng lực tăng lên một khoảng nào đó, rồi sau mới bắt đầu giảm.

Lực hút của trái đất là bao nhiêu?

Thoát khỏi lực hút trái đất bao nhiêu km?

Không gian vũ trụ cao bao nhiêu?

Lực hút của trái đất có đặc điểm như thế nào?