ความเร็วหลุดพ้น

ในวิชาฟิสิกส์ ความเร็วหลุดพ้น คือ อัตราเร็วที่พลังงานจลน์บวกกับพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุแล้วมีค่าเป็นศูนย์ ^{[nb 1]} ความเร็วหลุดพ้น คือ ความเร็วที่จะพาวัตถุไปได้ไกลจนพ้นจากอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของโลกได้พอดี (โดยการส่งแรงผลักเพียงครั้งเดียว และในสูตรนี้ยังไม่รวมเรื่องแรงเสียดทานเข้าไป) ความเร็วหลุดพ้นมีค่าประมาณ 11.2 km/s หรือ 40,320 km/h

สำหรับวัตถุทรงกลมสมมาตร ความเร็วหลุดพ้นที่ระยะทางค่าหนึ่งคำนวณได้จากสูตร ^[1]

v_{e}={\sqrt {\frac {2GM}{r}}},

เมื่อ G คือ ค่าคงที่โน้มถ่วงสากล (the universal gravitational constant) (G = 6.67×10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻²), M คือมวลของดาวเคราะห์, ดวงดาว หรือ วัตถุอื่น ๆ, และ r คือระยะทางจากศูนย์กลางของแรงโน้มถ่วง ^{[nb 2]}

ในสมการนี้แรงเสียดทานในชั้นบรรยากาศ (แรงฉุดของอากาศ) จะไม่ถูกนำมาพิจารณา จรวดนั้นจะสามารถเคลื่อนที่ออกมาจากปล่องแห่งแรงโน้มถ่วง (gravity well) ได้อย่างแท้จริงโดยไม่จำเป็นต้องใช้ความเร็วหลุดพ้นเพื่อการทำเช่นนั้น แต่สามารถบรรลุผลอย่างเดียวกันได้ที่ความเร็วใด ๆ กับโหมดที่เหมาะสมของเครื่องยนต์และเชื้อเพลิงที่เพียงพอ ความเร็วหลุดพ้นจะถูกนำไปประยุกต์ใช้กับแนววิถีการเคลื่อนที่ของวัตถุในอากาศ (ballistic trajectories) แต่เพียงเท่านั้น

ถ้าต้องการส่งยานอวกาศออกไปให้พ้นจากสนามโน้มถ่วงของโลก ต้องทำความเร็วหลุดพ้นหรือไม่? คำตอบคือ ไม่ใช่ เพราะไม่มียานอวกาศลำไหนเคลื่อนที่จากโลกด้วยความเร็วขนาดนั้น ( 32.9 มัค ) โดยใช้วิธีส่งแรงผลักจากเครื่องยนต์ด้วยความเร่งที่สม่ำเสมอเพื่อสะสมความเร็วขึ้นเรื่อยๆ เช่น กระสวยอวกาศ "ดิสคัฟเวอรี" ของสหรัฐฯ มีการส่งกำลัง โดยหลังจากทะยานตัวขึ้นจากพื้นดินจะปรับความเร็วตั้งแต่ 160 ก.ม. ต่อชั่วโมงเป็น 1,600 ก.ม.ต่อชั่วโมง นำพานักบินขึ้นและอุปกรณ์ที่หนักกว่า 2,000 ตันส่งสู่ห้วงอวกาศได้ในเวลาไม่ถึง 9 นาที

คำว่า ความเร็วหลุดพ้น อันที่จริงแล้วเรามักเรียกชื่อกันผิด ๆ และมันก็มักจะถูกต้องมากขึ้นถ้าจะเรียกว่า อัตราเร็วหลุดพ้น (escape speed) เนื่องจากค่าอัตราเร็วนี้ เป็นปริมาณสเกลาร์ซึ่งมีความเป็นอิสระจากทิศทาง (สมมติว่าดาวเคราะห์ไม่หมุนและไม่สนใจแรงเสียดทานในบรรยากาศหรือผลทางสัมพัทธภาพ)

หมายเหตุ

↑ พลังงานศักย์โน้มถ่วงมีค่าเป็นลบเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นแรงดึงดูดและมีศักยที่ถูกกำหนดให้มีค่าเป็นศูนย์ที่ระยะอนันต์
↑ ค่า GM เรียกว่า ตัวแปรโน้มถ่วงมาตรฐาน (the standard gravitational parameter), หรือ μ, และมักจะเป็นที่รู้จักอย่างถูกต้องแม่นยำกว่าค่าทั้ง G หรือ M.

อ้างอิง

↑ Khatri, Poudel, Gautam, M.K. , P.R. , A.K. (2010). Principles of Physics. Kathmandu: Ayam Publication. pp. 170, 171. ISBN 9789937903844.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (ลิงก์)

Roger R. Bate, Donald D. Mueller, and Jerry E. White (1971). Fundamentals of astrodynamics. New York: Dover Publications. ISBN 0-486-60061-0.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (ลิงก์)