大気圏突入の時はなぜ燃えるほど高速なのですか？

地球への大気圏突入時は超高温になることは有名ですが、なぜ地球の引力に引っ張られているだけなのに、そんなに高速になるのですか？

マッハ20くらいまで速度が出て、そこで大気の粘性により熱移動が起こって物体が高温になり燃え尽きるそうですが
同じ地球の引力に引っ張られているなら高度３万メートルくらいから物体を落としてもそのぐらいの速度にならないとおかしいと思うのですが、何故でしょうか？

No.22 回答者： moritan2 回答日時： 2009/09/30 16:49

No.6、No.17です。

> でも隕石は地球に落ちてくるぐらいですから第一宇宙速度以下であると言えない
> のでしょうか。

初期状態で静止していても、地球の遠方から地球に落ちる事により、ほぼ第２宇宙速度まで加速されます。第２宇宙速度というのは、地球の重力を振り切るのに必要な速度でもあるし、地球から遠く離れた物体が地球に落ちることによって得られる速度でもあります。

地球のすぐ近くで静止していれば別ですけど、そんなことはあり得ませんし。ほとんどの隕石は太陽系の遠方から来ますから、たいていの隕石は第３宇宙速度(約秒速40km)に近い速度を持っています。第３宇宙速度は、地球軌道付近から太陽の重力を振り切って太陽系を飛び出すのに必要な速度ですし、太陽系の遠くから地球軌道付近まで何かが落ちる事により達する速度でもあります。

この回答へのお礼

第２宇宙速度というのは、地球の重力を振り切るのに必要な速度でもあるし、＞それならばなぜ地球に落ちるのでしょうか？（落ちるといっても大気圏を通過するだけでもいいのですが。その燃えカスがたまに落ちてきますよね。）
振り切って軌道変更するだけだと思うのですが。もちろん軌道にもよりますし侵入角度にもよると思いますが。地球の遠方から地球に落ちる場合なぜ第2宇宙速度まで加速されるのでしょうか。地球の引力だけでそれほどまでに加速されるということでしょうか？それともその位の速度がないと他の星との引力の兼ね合いで地球軌道にまでは絶対に到達し得ないということでしょうか？

お礼日時：2009/10/01 01:14

No.21 回答者： ch3oh 回答日時： 2009/09/30 16:45

＞でも隕石は地球に落ちてくるぐらいですから

　質問者さんは、高いところから物が地表に向かって落ちてくるみたいに
隕石も地球の引力によって遠方から落ちてくるのだとお考えのようですね。
　そうではなく、隕石も地球もそれぞれの軌道上を運行しており、
互いの軌道が交わったあたりで両者が遭遇すると、No.３のお答えのように、
隕石が地球に向かって突っ込んでくるということになるのです。
　
　
　

　　

この回答へのお礼

＞落ちてくるぐらいですから　という表記をしたのは、軌道によっては接近した場合に第一宇宙速度以上であれば地球に落ちずに軌道変更をしただけで（加速、減速）通り過ぎていく隕石も数多くありますよね。

でも軌道が接近した場合引き寄せられて落ちてくる隕石もないとは言えないのであれば第一宇宙速度以下であるとも言えます。

もちろん軌道がばっちり合ってしまっているとかであればその限りではないと思いますが
ただ隕石が必ずしも第一宇宙速度以上、第二宇宙速度以上であるということはにわかに信じられず、というか絶対にそうなのだろうかと疑問を持った次第です。

お礼日時：2009/10/01 00:20

No.20 回答者： nananotanu 回答日時： 2009/09/30 16:34

引き続き、#13です。

>ちょっと減速するとその分地球に引き寄せられて軌道半径を小さくすることで、速度を上げて追いつくということですか！それだとＩＳＳにドッキングする際にまた元の軌道に戻る時にはさらに加速するエネルギーが必要になるのではないでしょうか？その分は微々たるものでしょうか？

速度を上げて追いついた上で更に追い越し、今度は軌道を上に上げて減速してISSに追いつかせて・・・・を微妙に繰り返して、最終的にドッキング装置の位置で、同じ速度になるように、調整するんです。

コマンダー達が凄い技術の持ち主なんだ(まさに精鋭)という一端が窺えますでしょうか。

軌道高度と速度の関係は、簡単に言えば…
地球の周りを周回できるのは、引力に引っ張られて落下する分、前に進んでいれば結果として回り続ける、ということです(＃12さんのご説明にあるように)。地球に近ければ近いほど、引力が強くなります(＝短時間に落下する距離が長くなる)ので、それだけ多く前に進んでおかないと(＝周回速度が速くならないと)引力の効果に負けて落っこちちゃいますよね。漫画チックに考えると、そういうことです。

この回答へのお礼

減速して速度を上げる。この辺がややこしいですね。

追い抜いた後、今度は軌道を上に上げて減速して追いつかせる＞この場合の軌道を上に上げるエネルギーはかなりのものでしょうか。これを繰り返して位置を調整すると時間をかければおのずとドッキングできるという訳ですよね。凄い技術だと思います。

地球に近ければ近いほど速くなるというのがなんとかやっと理解できたかもしれません。近ければ引力が強くなるということはその引力の力を借りて（プラスされて）加速するという理解で宜しいでしょうか。

ただ私が最初に疑問に思って今回の質問をしたのは
地球の引力だけで燃え尽きるまで加速するほど地球の重力加速度は強いということなのか？という疑問からでした。

しかし静止衛星やスペースシャトルのような人工物の再突入や隕石のケースを例にだすと元々がそれだけの速度を持っており、それに引力の重力加速度が加わってマッハ２０位まで行って燃え尽きてしまうという結論でした。
ただ単に真空状態で物体を引っ張った場合、地球の引力の重力加速度はどの程度なのか？という形での質問をしたほうがよかったかも知れませんね。高度30000ｍといえばもちろん大気がありますからそれと比較しようとした事も間違いでした。

単純に高度30000kmの位置に静止した物体を地球が引力で引き寄せた場合、大気圏に突入するまでに燃え尽きるほど加速しますか？という質問のほうがよかったですかね。

お礼日時：2009/10/01 01:02

No.19 回答者： nananotanu 回答日時： 2009/09/30 16:25

#16です。

>申し訳ありません。静止しているといっても地球の公転には同期しているという仮定でお願いします。

勿論、分かっていましたよ(^^)
地球の自転に対し静止する(地球の自転と同じ速度で地球の周りを周回する)ためには、高度35786kmである必要があります。この高度よりも少しでも低くなれば、先に書いたケプラーの法則により、その物体が望もうと望まなかろうと、その高度に見合った速度で「地球の周りを回り始めてしまう：地球の自転速度以上で周回し始めてしまう」ということです。ご質問者様には不思議に思えてご理解いただけないかもしれませんが…

で、ケプラーの法則が成り立つのはあくまで真空中(大気の摩擦の影響がない範囲)ですから、大気の摩擦が無視できない高度まで下がってくると(コレまでとは逆に：ケプラーの法則が成り立つ範囲では、高度が低いほど軌道方向の速度 大)摩擦で速度が落ちていく(そして地球に落下していく)というわけです。
ISSも(実は大気の影響を無視できない高度を回っているので)定期的に軌道を修正して、持ち上げていますよね。

この回答へのお礼

まずケプラーの法則というのをしっかり理解しないといけませんね。
ちょっとまだよく理解できてないのですが、
まず、一つ疑問に思ったのは、同じ時間に同じ周回数を持っているならば、通常だと外側の物体のほうが、内側を回っている物体よりも速いですよね。でもそれが逆に地球に近づいて半径が小さくなればなるほど速度が上がっていくというのがまだ想像できてないです。

静止衛星が高度35786kmである必要は、地球の自転速度は赤道付近で約1700km/hですよね。対して地球に落ちないための第一宇宙速度は時速に直すと2800km/hほどに達すると思います。なので追い抜いてしまいますよね。地球からは静止してるようには見えません。
なのでより時間のかかる外側を回るべく高度35786kmの地点に軌道を取っているのだと思っていました。

お礼日時：2009/10/01 00:34

No.18 回答者： moritan2 回答日時： 2009/09/30 12:16

No.6、No.17です。

URLを張り付けるのを忘れましたのでここに張ります。

参考URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99% …

No.17 回答者： moritan2 回答日時： 2009/09/30 11:40

No.6です

> 秒速８kmでもかなり早いと思いますが、なぜそんな速い速度で侵入するのでしょうか？

人工衛星なら最初から第一宇宙速度(約秒速8Km)なので、もともとそれだけの速度を持っています。地球に突入するためにわざわざ燃料を使って逆噴射して減速するのは無駄なので、大気との摩擦で運動エネルギーを熱に変えて減速します。

隕石の場合は地球の遠方からなので少なくとも第二宇宙速度(約秒速11km)ですし、太陽系の遠方からなら第三宇宙速度になります。

宇宙速度はURLを参考にしてください。

この回答へのお礼

でも隕石は地球に落ちてくるぐらいですから第一宇宙速度以下であると言えないのでしょうか。

たとえば地球の遠方からの巨大隕石（流星）だとしても必ずしも第二宇宙速度以上なのでしょうか？　偶然にも他の星の引力にほとんど影響を受けず（実際には受けているがそれが結果的に地球に向かう方向になる）にゆっくりとした速度で接近してくる隕石があったとしたらどうでしょうか？燃え尽きずに地球に衝突するのでしょうか？

もちろんそのような危険性のある隕石ならばすでに確認されてると思いますが。。

お礼日時：2009/09/30 15:40

No.16 回答者： nananotanu 回答日時： 2009/09/30 10:48

>しかしＳＦ映画やアニメでは地球方向に吸い込まれていった人や物体は

>とにかく燃え尽きるという表現をたまに見ますが、誇張されているだけでしょうか？

端的な表現を思いつきました。鉛直方向に、ではなく、水平方向に加速される、とお考え下さい。
ですから、映画等でまっすぐ地球に吸い込まれるように表現されているならそれは間違い(^^；ですが、燃え尽きるほどに加速されている、というのは本当です。

この回答への補足

申し訳ありません。静止しているといっても地球の公転には同期しているという仮定でお願いします。

補足日時：2009/09/30 15:40

この回答へのお礼

たしかに落ちるという通常の概念で考えてしまうと、物体は鉛直に落ちると思いがちですが、この場合だと人口的な物体の再突入な訳ですから元々第一宇宙速度で水平方向に動いていることが前提でした。
そうすると大気の中を横に高速に移動しながら落ちていくということになるので摩擦熱が起きるは分かります。

仮に完全に地球の赤道上の宇宙空間に静止した物体があると仮定して（まず不可能だと思いますが）そこから時速１０ｋｍで重さ100キロの物体を地球の赤道に射出した場合、理論的には燃え尽きず地球の地表まで落下するということでしょうか？

お礼日時：2009/09/30 15:24

No.15 回答者： debukuro 回答日時： 2009/09/30 08:06

＞それよりもっと低い速度にまで減速して

そのために空気との摩擦を利用していると書いたでしょう
減速のための燃料まで積んで出発する余裕がないのです

この回答への補足

申し訳ありません。静止しているといっても地球の公転には同期しているという仮定を付け忘れました。自転には同期していないということです。

補足日時：2009/09/30 15:43

この回答へのお礼

ではたとえば、静止衛星といえどもそれは地球から見た主観での状態であって実際は第一宇宙速度で動いていますが、仮に完全に宇宙空間に静止した物体があると仮定して（まず不可能だと思いますが）そこから時速１０ｋｍで重さ100キロの物体を地球の赤道に射出した場合、理論的には燃え尽きず地球の地表まで落下するということでしょうか？

お礼日時：2009/09/30 15:09

No.14 回答者： nananotanu 回答日時： 2009/09/30 07:57

何度もすみません

>＃７さんへの質問(回答)にも関連しますが…
　⇒
＃７さんへの質問(お礼)にも関連しますが…


でしたね(^^；

No.13 回答者： nananotanu 回答日時： 2009/09/30 07:54

#3(の立場、(^^)として)です。

＃７さんへの質問(回答)にも関連しますが…


>例えば静止衛星からポーンと４キロメートルで地球方向に物体なり人間なりが離れてしまったと考えてください。
>いずれは大気圏突入しますよね。その時でもマッハ２０位まで加速するのでしょうか？

例えば、スペースシャトルがISSにドッキングするために、後ろから追いついてきたとしましょう。チョットスピードを上げて完全に追いつくために、どういう操作をするかご存知ですか？　なんと、逆噴射で(一見)減速するのです。そうするとシャトルの軌道半径は少し小さくなります。一方、天体の周りを周回運動している物体は、ケプラーの法則に則り、軌道半径が小さいほど速度が大きい、という性質があります。ですから、「軌道半径を小さくすることで」加速するのです!!
軌道上を(自然に)運動している、というのがミソです。

ですから、ご質問の状況では、以下のようになると思われます。
徐々に、地球に向け、落下していきます。ユックリとした運動ですから、その時々で、バランスの取れた自然の周回運動（＝その高度に見合った軌道速度での運動）をしていきます。どんどん落ちるに連れ、『重力の加速によって、ではなく』『軌道運動のサガ、として』加速されていきます。そして、大気が濃くなり、軌道速度を保っても摩擦で減速されてしまうような高度に達したときは、周回のための速度が足りなくなって、地球に落下します(大気の抵抗で、というか・・・・)。
そのような高度に達したときは、お気づきのように、既に相当な高速に達しているのです。

この回答へのお礼

ちょっと減速するとその分地球に引き寄せられて軌道半径を小さくすることで、速度を上げて追いつくということですか！それだとＩＳＳにドッキングする際にまた元の軌道に戻る時にはさらに加速するエネルギーが必要になるのではないでしょうか？その分は微々たるものでしょうか？

軌道運動のサガというのはちょっと調べても出てこなかったのですが、回答者様のおっしゃられる事は、例えば長い紐の先にけん玉の玉のようなものを付けてブンブン振り回したときにそのままのエネルギーで急に紐を短くした時に（例えば途中で急にロープを静止した棒に絡ませるなど）クルクルっと速度が速くなる現象でしょうか。

ただその場合一度減速してエネルギーを落とす訳で。そのままの状態で半径が小さくなったとしてもさらに元の軌道を動いていた時以上に加速するのでしょうか？

お礼日時：2009/09/30 14:52