ロケットと重力と大気の関係について教えてください。

Question

①ロケットを宇宙に向けて発射するとき、テレビなどで見ると、
かなりのスピードで空気の線？が見える程ですが、
なぜあれほどのスピードが必要なのでしょうか？

②大気圏に突入するとき、すごいスピードで
マッハ21.8にもなると、温度も断熱圧縮で1300度？
と、どっかの回答で見かけたのですが、
なぜ、それほどのスピードと温度になってしまうのですか？

飛行機から物を落としても、たかだか数百キロですよね？
空気の薄いとことなら、空気の圧縮もなく…。と思ってしまうのですが。
隕石なんかは、周回軌道もないのに…なぜ、すごいスピードと温度になるのですか？

どうか、教えてください。

yhr2 · Accepted Answer

No.2&3です。

＞たぶんですが、1000mから物を落としても、10000ｍから落としても、空気抵抗で速度はあまり変わらないと思うんです。

はい、そのとおりです。「徐々に加速」していくと、空気の抵抗で「一定の速さで頭打ち」になります。「終端速度」というようです。
スカイダイビングの場合には、180～200km/h の速さのようです。
http://lumens.blog.fc2.com/blog-entry-28.html

＞極端な話ですが、衛星が宇宙速度を減速して停止したら、熱は発生せずに、ゆっくり落ちてくることが可能なんでしょうか？
＞たまたま、地球の自転速度と同じ隕石が、ちょうど良い角度で、ぶつかってきたら、熱は発生しないんでしょうか？

最初から空気中で「徐々に加速」する場合には、上記のように「終端速度」を超えることはありませんが、空気のない宇宙から、地球の引力で加速して大気圏に突入する場合には、大気圏突入時の初速度がかなりの大きさになっています。

例えば、国際宇宙ステーションは、地上からの高度が 400 km です。これが周速度ゼロに減速して自由落下すると、大気圏が高度 100 km として（この高度でも大気はほとんどないようですが）、大気圏突入時の鉛直方向の速度は、単純な自由落下の計算（重力加速度は一定で近似）で
　　v ≒ 2.4 km/s
になることが分かります。大気圏突入までに、地球の引力で十分に加速されてしまうということです。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%BD%E9%9A%9B%E5%AE%87%E5%AE%99%E3%82%B9%E3%83%86%E3%83%BC%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3

それから、水平方向にしても、赤道上で
・地球表面の自転速度：1700 km/h ≒ 470 m/s
・国際宇宙ステーションの周回速度：27,700 km/h ≒ 7.7 km/s
の速度差があります。

赤道上の静止衛星は、地上 36,000 km とかなり高いところ（地球の半径の 5倍程度）に軌道があるので、「静止して見える」といっても周速度では約6倍、相対速度にすれば
・地球表面の自転速度：1700 km/h ≒ 470 m/s
・静止衛星の周回速度：3.1 km/s
の差で約 2.6 km/s あります。
http://iss.jaxa.jp/shuttle/flight/sts99/earthkam_01_2.html

つまり、宇宙から地球の大気圏に飛び込むときには、鉛直方向にも、水平方向にも、初速度が大きくなるということです。大気は「だんだんに濃くなる」ので、大気がそこそこ濃くなったあたりで、ちょうどうまく「水平方向にも、鉛直方向にも、速度ゼロ」の状態を作るには、相当にうまく「速度制御」をしてやらなければいけないということです。

t_fumiaki · Answer

(1)
燃料さえ有れば、時速1kmの速度でも構いません。
燃料に限りが有るので、スピードを速くし、燃料が燃え尽きる前に脱出速度近くにしたいからです。

パチンコの球には推進装置が無いから、打ち出す速度を秒速十数キロにしないと、地球の重力から脱出出来ません。

ロケットは推進装置と燃料を積んでいるので、燃料残量との計算でそうやっています。

(2)
空気摩擦で速度が制限されますが、重力加速度によってある一定値まで加速します。
おっしゃる通り、この時の摩擦で熱くなる訳では有りません。

多くの人が「空気摩擦で熱くなる」と誤解しています。
前方の空気が圧縮され続けるため、断熱圧縮によって金属をも溶かす温度になります。エアコンの原理ですね。

燃料を使ってゆっくり降りてくれば熱くなりません。
が、燃料を大量に使うので実用的では有りません。

(1)もこれも、搭載燃料に限りがあるからです。

Tacosan · Answer

時間をかけてゆっくり降下すれば断熱圧縮の効果も空気との摩擦熱も無視できますが.... そのために必要な燃料はどこから調達しましょうか?

余談.
「1000mから物を落としても、10000ｍから落としても、空気抵抗で速度はあまり変わらない」というのはその通りなんだけど, その空気抵抗が摩擦熱を生み出します. ちなみに人間を成層圏から落とすと時速 1000 km くらいにはなります.

SSTTraditional · Answer

別に早くはありませんよ。風船でもISSの高度に到達できます。
ロケットが必要なのは慣性の法則。重い物体ほどエネルギーが必要。

常に地球中心へと引き寄せる力が働くから。その力で加速する。
空気の摩擦熱。と、衝撃波の熱。
隕石は大気層に入ったくずを言う。大気層に入ったから・・・

zircon3 · Answer

No.1です。

> （2）は、JAXAのQ57は、理解できるのですが、
> それならば、「人口衛星は時速30,000km程度」を減速して止まってしまえば、高温になることは無いのでしょうか？

減速して止まるとは何処で止まるのでしょう？
大気圏上層で対気速度0または対地速度0とする、、、ということでしょうか？
つまりその場にポッカリ浮かんでいる状態にすると？

でしたら高温にはなりません。周囲の大気との摩擦も圧縮もありませんから。
ただし、それにはその高度での地球の引力を打ち消すだけの下向きの（＝地球の方向への）推力が必要です。
推力の代わりに遠心力を得ようとすると地球を周回する方向に進まないといけないです。それは大気と摩擦を生む。。。

参考まで。

yhr2 · Answer

No.2です。ちょっと間違った記述がありましたね。

②に関する回答で「「空気の抵抗」との摩擦熱で、あれだけの発熱をします」と書いたのは正しくありません。
「空気の圧縮による発熱」というのが正しいです。
http://iss.jaxa.jp/kids/faq/kidsfaq10.html
http://utyuu-tanosimu.net/entry50.html

yhr2 · Answer

＞①ロケットを宇宙に向けて発射するとき、テレビなどで見ると、
＞かなりのスピードで空気の線？が見える程ですが、

打ち上げ直後は、けっこう「のろのろ」と上昇していきますよね。
ただし、どんどん加速はしています。

新幹線だって、発車のときにはのろのろで、ホームを離れるときにもまだ最高速度には程遠いスピードです。

＞なぜあれほどのスピードが必要なのでしょうか？

水平で地球を周回するときに、「重力」と「遠心力」が釣り合う速度まで加速しないと、重力の方が大きくなって落下します。この「周回速度」に相当するのが「第一宇宙速度」と呼ばれるものです。
↓　宇宙速度
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E9%80%9F%E5%BA%A6

飛行機は「空気の浮力」で飛びますが、ロケットはこれを利用せず、「遠心力」だけで一定高度を保てないといけません。

＞②大気圏に突入するとき、すごいスピードで
＞マッハ21.8にもなると、温度も断熱圧縮で1300度？
＞と、どっかの回答で見かけたのですが、
＞なぜ、それほどのスピードと温度になってしまうのですか？

空気の抵抗がなければ、「重力加速度」でどんどん加速します。空気の抵抗でブレーキがかかるので、あの速さで済んでいます。「空気の抵抗」との摩擦熱で、あれだけの発熱をします。ブレーキをかけて余分になった「運動エネルギー」が「熱エネルギー」に変わっているのです。

＞飛行機から物を落としても、たかだか数百キロですよね？

意味不明です。「たかだか時速数百キロメートルですよね？」ということですか？　それは「水平方向の速さ」であって、鉛直方向（高さ方向）にはどんどん加速しますよ。

＞隕石なんかは、周回軌道もないのに…なぜ、すごいスピードと温度になるのですか？

う～ん、もう少し「起こっている現象」をふつうに想像できる「理科のあたま」を養ってくださいね。
とりあえず、こんな「自由落下運動」を考えてみてください。ちなみに、水平方向には「等速運動」します。
https://kids.gakken.co.jp/jiten/4/40001430.html

zircon3 · Answer

(1) 地球の引力を振り切るためです。
　　Wikipediaの「宇宙速度」の解説が参考になるでしょう。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E9%80%9F%E5%BA%A6

(2) まず、速度が飛行機とは比べ物になりません。旅客機の巡航速度は対地速度で時速800km～1,000km程度。対して人口衛星は時速30,000km程度。空気抵抗がほとんどない大気圏上層部であってもこの速度で突入すると前方の大気は大きく圧縮され高い熱を発します。
　　JAXAのサイトにある以下のページのQ57が参考になるでしょう。

http://iss.jaxa.jp/iss_faq/go_space/step_5.html

ロケットと重力と大気の関係について教えてください。

(1)

No.2&3です。

時間をかけてゆっくり降下すれば断熱圧縮の効果も空気との摩擦熱も無視できますが.... そのために必要な燃料はどこから調達しましょうか?

別に早くはありませんよ。

No.1です。

No.2です。

＞①ロケットを宇宙に向けて発射するとき、テレビなどで見ると、

(1) 地球の引力を振り切るためです。

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