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.32 回答者： moritan2 回答日時： 2009/10/01 15:50

> 要するに理論的には空気の摩擦を完全に無視して考える（大気がないものとして考えた場合）

> 遠方から地球に引き寄せられる物体は地球に衝突する瞬間に第二宇宙速度になり、
> 地球から第二宇宙速度で上に打ち上げれば、徐々に減速していき、地球の引力による影響が
> ゼロになる地点で（他の惑星の重力の影響は無視する）運動エネルギーがゼロになり速度が
> ０になるという理解で合ってますでしょうか。

細かい問題はありますが、だいたいあっていると思います。

No.31 回答者： nananotanu 回答日時： 2009/10/01 12:47

#19です。

>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。

ひとつの円盤のように固定されているイメージと勘違い(混同)されていませんか(^^)？
個々の物体は繋がることなく、勝手に運動しています。

太陽系でも外側の惑星ほど1年（＝太陽を一周するのに必要な時間）が長いですよね？
外側ほど速い、ということはないですよ。そもそも「同じ周回数を持っている」ことはないのですから。

この回答へのお礼

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と考えがちになってしまいますが違うのでしょうか。
例えば、月は地球を公転していますが、月よりも地球に近い衛星が２７日で地球を公転していた場合、月のほうが公転速度が速いということになるんですよね。
ただこの場合とはなんら関係ない質問でごっちゃになってしまっていたらすいません。。

お礼日時：2009/10/01 15:31

No.30 回答者： nananotanu 回答日時： 2009/10/01 12:35

#20です。

>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。

先ず、静止するためには『赤道上で』『高度35786km』でないといけません。この条件が成り立たねば、静止は出来ません。
30000kmに静止するとすると、重力に逆らって落下と同じ速度で上昇し続ける必要がありますね。

さて、ココで考えやすい静止軌道からの落下から考えましょう。「静かに放出された場合、」その時々の高度に見合った軌道速度で周回しながら、言ってみれば螺旋を描くように地球に落ちていくので、結局高速になりますね(例えば、ISSは時速28000km、マッハ２３(だっけ？(^^；))。逆に、高速で射出した方が、「軌道速度になる暇がなくて」結果として水平方向にもさほど加速されず、かえってユックリ落ちていくでしょう(鉛直成分の初速度(打ち出しの速度)が大きいことを差し引いても)。

30000kmの、静止している物体からなら・・・・　う～ん、最初は慣性の法則で上昇を続ける(＝見かけ上静止を続ける)だろうけど・・・その後はどうかな？

この回答へのお礼

30000kmに静止するとすると、重力に逆らって落下と同じ速度で上昇し続ける必要がありますね。＞

地球方向にロケット噴射しながら静止するということですよね。
物理的（エネルギー的）にも技術的にも難しいと思いますが出来たと仮定して考えるとどうでしょうか？

う～ん、最初は慣性の法則で上昇を続ける＞上昇するんですか？

お礼日時：2009/10/01 15:35

No.29 回答者： nananotanu 回答日時： 2009/10/01 12:00

またまた私へのレスではないですが…

＃22
>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。

まさにその通りです！だんだん理解されてきましたね(^^)
流星や隕石などで地球に飛び込んでくるものは、「偶々まっすぐ地球に飛び込んでくるような」運動を元もとしていたものだけ、ということです。全体の数から言うと、ゴク僅か、なんでしょうね。

この回答へのお礼

偶然そういった軌道をとっていた場合でごく稀なケースなんですね。

お礼日時：2009/10/01 14:43

No.28 回答者： nananotanu 回答日時： 2009/10/01 11:52

またまた私へのレスではないですが…

＃23
>地球に向かって物体をゆっくり落とした場合は燃え尽きないんですかね？

それが元もと出来ないんです。その高度に見合った軌道速度で”自然に”水平方向に運動しちゃいます。鉛直方向には質問者さんのイメージされるように「燃えるほど高速に加速されることはない」かも知れませんが・・・・・

水平方向の運動の元も、重力に打ち勝つため、ですから重力が原因になってる(重力で加速された)といえなくはない、とも思いますが…

この回答へのお礼

その高度に見合った軌道速度で”自然に”水平方向に移動してしまうというのがどうしてもよく理解できないのですが、前述の回答頂いたケプラーの法則ということでしょうか。こちらを調べてみましたがこと軌道の事に関しては読んでもいまいち理解できません。ここがまずネックですかね。

その高度に見合った軌道速度があることは分かりましたが、ゆっくりと鉛直に落下してくる物体もその高度に応じた軌道速度まで横に移動しながら加速せざるを得ないのでしょうか。それは地球の自転に関係していますか？

お礼日時：2009/10/01 14:39

No.27 回答者： moritan2 回答日時： 2009/10/01 11:11

摩擦などでエネルギーが失われないと仮定すれば、運動エネルギー＋位置エネルギーは常に一定だということを理解されているでしょうか？　

大気の影響を無視して地上で物体を第二宇宙速度(約秒速11km)で上に向かって打ち上げれば、はるか遠方で速度が0になります。これは秒速11kmの運動エネルギーが位置エネルギーに変換されたということです。逆に地球の遠方で速度が0の物体が地上に落下したら、その位置エネルギーが運動エネルギーに変換されて秒速11kmになります。なお、空気の摩擦は無視しています。実際の大気圏突入では、大気との摩擦によって運動エネルギーが熱エネルギーに変換されます。

この回答へのお礼

要するに理論的には空気の摩擦を完全に無視して考える（大気がないものとして考えた場合）遠方から地球に引き寄せられる物体は地球に衝突する瞬間に第二宇宙速度になり、
地球から第二宇宙速度で上に打ち上げれば、徐々に減速していき、地球の引力による影響がゼロになる地点で（他の惑星の重力の影響は無視する）運動エネルギーがゼロになり速度が０になるという理解で合ってますでしょうか。。

お礼日時：2009/10/01 14:08

No.26 回答者： nananotanu 回答日時： 2009/10/01 11:05

私の部分へのレスではない(^^；ですが・・・・

#21
>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。

そんなことは、ないです。（軌道が接近した場合引き寄せられて落ちてくる隕石、は存在しません。地球の引力で引き込まれるぐらい低速のものは存在しえません。）

この回答へのお礼

地球の引力で引き込まれるぐらい低速のものは存在しえません。）
地球の軌道に接近する隕石でそれほど遅い速度のものは宇宙空間で存在しないということでしょうか。これは驚きでした！なにか理由があるのでしょうか。

お礼日時：2009/10/01 15:14

No.25 回答者： moritan2 回答日時： 2009/10/01 10:01

> 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？

そうです。詳しくはNo.18で私が張り付けたURLをご覧ください。

この回答へのお礼

それほどまでに強いんですね
そもそも脱出速度＝引き寄せるスピードですよね
ということは第二宇宙速度の運動エネルギーに近い力で物体を引き寄せてるということですよね。そもそもの運動エネルギーと位置エネルギーの解釈を間違ってたらすいません。

ただ例えばボールを思いっきり上に投げた場合、第二宇宙速度でなくても地球から離れて行きますよね。その時加えた運動エネルギーが例えば上空20メートルの位置エネルギーになって一瞬止まり、そこから重力に引き寄せられてまた落ちてくるということだと思いますが、なぜボールは第二宇宙速度でないのに地球から離れていけるのでしょうか。
ボールの下をポンと叩いて少しボールを浮かせます。そのボールが自然落下し出す前にまたポンと下を叩くとさらに上に上がります。理論的にこの事を繰り返していけばおのずと宇宙までたどり着きますよね。
問題は速度ではなくその物体の質量を持ち上げるだけのエネルギーを長い間持続できれば脱出できるということですよね。
ロケットは打ち上げて地球を脱する時第二宇宙速度になってると思ってましたが違うことがわかりました。

お礼日時：2009/10/01 14:30

No.24 回答者： Tacosan 回答日時： 2009/10/01 01:33

「ある地点から地球に物を落とす」のと「地球からその地点まで打ち上げる」のとは時間反転の関係にあるような気がする. だから, 「ある

地点から地球に物を落として得られる速度」と「地球からその地点まで打ち上げるために必要な速度」は一緒じゃないかなぁ.

この回答へのお礼

ということは地球からの脱出速度と同じになるということでしょうか

お礼日時：2009/10/01 06:15

No.23 回答者： miran_2006 回答日時： 2009/09/30 20:09

こんな感じですね。

ｗ

この回答への補足

ちなみにこの作図は問題があるとみなして運営に通報させていただきました。

補足日時：2009/10/01 06:22

この回答へのお礼

それはもうわかってます。要するに元々高速で移動しているわけですから、燃え尽きるわけですよね。では静止した状態から地球に向かって物体をゆっくり落とした場合は燃え尽きないんですかね？地球の重力だけでそこまで速くなるのでしょうか？

お礼日時：2009/10/01 00:06