牛顿大炮：让我们知道空间站，为什么围绕地球运行不会掉下来
近年来，我国在航天领域捷报频传，一次又一次的宇宙飞行在全世界赚足了眼球，这里我们不得不为我国的航天科技工作者送上掌声与祝福。前几天，神舟13号飞船带领三名宇航员成功返回了地球，在去年十月份的时候，神舟13号带着三名宇航员来到了中国空间站天宫号进行了为期6个月的各项任务，如今，这些任务都已经圆满的成功了。天宫号是中国第一个可以常住太空的空间站，它的设计寿命在十年以上，我们都知道，飞机能够飞上天是因为飞机有翅膀，受到空气的上升力，火箭能够飞上天是因为火箭向下喷射燃料，那么空间站呢，既没有翅膀和空气的上升力，一般也不向外喷射燃料，为什么空间站不会从轨道上掉下来呢？那今天我们就来研究一下这个问题，对于空间站不掉下来的原因，有几种回答，有些人认为空间站离地球太远了，所以不受地球的引力了，还有人认为空间站飞到太空之后，地球、太阳、月球的引力相互抵消，所以空间站不掉下来，其实这些说法都是错误的。空间站为什么不掉下来？因为有一种叫做向心力和离心力的自然现象维持了空间站绕地球运行而不会掉下来，原理和月球绕地球运动不会掉下来一样。
空间站通常工作在距地面400千米的高空。虽然已经高于100千米的卡门线， 这里我们说下什么是卡门线，我们可以粗略地认为地球大气层之内为非太空，此区域我们一般称为天空，地球大气层之外，我们称之为太空，但地球大气层与太空之间并没有一个明显的界限，对此，国际航空联合将100公里的高度定义为大气层和太空的界线，即“卡门线”，卡门线外为太空。航天器想要遨游太空，必须先要突破这个卡门线，但刚突破卡门线飞行的话也存在一些问题，因为即使在卡门线以外，依旧存在着稀薄的大气，航天器在飞行过程中会不断与这些稀薄的大气摩擦，实际上它还是会受到地球万有引力的微弱影响。那么空间站为什么没有掉下来呢？这是因为空间站在运动，空间站之所以能够在太空中一直运动，主要是空间站在飞行过程中所受到的重力作为向心力，能够一直围绕地球运动。同时，空间站之所以能够持续运转，也是因为在其外部安装了一块太阳能电磁板。
1687年，牛顿在自然哲学的数学原理一书中首次提出了关于轨道运动的第一个理论想法，牛顿认为，在一座高山上架起大炮，以不同的速度进行射击时，速度越大，炮弹就会飞得越远，且炮弹的着陆点取决于地球的区域。当炮弹的速度更快，使其飞行路径曲线刚好与地球表面的曲线相匹配时，在没有任何阻力的情况下，这个炮弹就可以一直围绕着地球做圆周运动，永远也不会掉落在地面。也就是说，炮弹要想持续飞行而不掉落，则必须要有足够快的飞行速度。牛顿根据自己的思考和研究，计算出了炮弹不落地的速度，大约是每秒7.9公里，也就是物体绕地球做圆周运动时所需要的最小速度，也被称为第一宇宙速度。那么为什么这个速度的炮弹能一直保持这个高度呢？实际上炮弹在飞行时，也在不停地往“下”掉。当炮弹速度为7.9公里每秒时，那么炮弹一秒钟会向前飞7.9公里，同时每秒钟也会向地平线“下落”4.9米，但由于地球是球形的，因此掉下来的4.9米刚好和地面的向“下”弯曲形成的“高度差”一样，所以看起来好像永远不会往下掉。
空间站也是同样一个道理，只要我们在发射空间站时，给予空间站一个水平方向足够大的初始速度，空间站便能一直保持这个速度围绕地球运动而不掉下来。空间站由于身处400公里的高空，根据万有引力公式，我们可以计算出这个速度大致为7.6千米每秒。也就是说如果空间站正好是这个速度，那么它所需要的向心力就正好被万有引力给提供了，所以它就能做圆周运动。那我们思考一下，如果空间站的速度大于7.6千米每秒会有什么结果，这个时候，万有引力不会有变化，但需要的向心力却更大了，就是说如果速度快了之后，就需要更大的往里拽的力，才能够维持圆周运动，但是万有引力却没有变，所以一旦速度大于这个值，空间站就会脱离地球的引力，开始飘向太空。这就是所谓的离心运动。如果你去游乐场坐过海盗船、过山车、旋转飞机等项目就会体验到离心力的作用，当你坐在旋转飞机上时，旋转得越快，你就越有被往外甩的感觉，那就是离心力。
如果空间站的速度小于7.6千米每秒，那会如何呢，假如速度低于7.6千米每秒，这个时候所需要的向心力就变小了，但是万有引力还是那么大，往里拽的力却没有变化，所以一旦速度要低于这个值，空间站就会受到万有引力影响慢慢落下，最终会通过大气层落向地面。事实上神舟飞船想要回到地面上，也是利用了这种原理。通过减慢速度，就会做一个越来越接近地球的向心运动，当到某一个点的时候，神舟飞船就会返回大气层回到地球上。其实以现在的科学技术空间站还是会每天掉落100-150米左右，因此空间站都有定期调整轨道的需求，因此每次货运飞船到达的时候，运送完物资，就会与载人飞船进行对接，这时基本上都会为空间站进行助推，把降落的高度再拉升回去，实现不会掉落的稳定飞行目的。天宫号的设计寿命超过了十年，而且一般都会超期服役。在2022年6月的时候，我国会发射神舟十四号载人飞船，再次带领3名航天员进驻天宫号核心舱并在轨驻留6个月。让我们预祝下一次的任务圆满成功。
