脱出速度と第二宇宙速度|地球の重力を振り切る条件
上に投げたボールが戻ってくるのは、速さが足りないからです。速くすれば高く上がり、さらに速くすれば、もう戻ってこない。
その境目の速さを脱出速度といいます。地球の表面からなら秒速 で、第二宇宙速度とも呼ばれる[3]。
エネルギーの符号が分かれ目になる
万有引力による位置エネルギーは、無限に遠い点を基準にとります。だから値はつねに負になる。
運動エネルギーと足したものが力学的エネルギー です。この符号が、戻るか戻らないかを決めます。
が負なら、どこかで運動エネルギーが尽きて折り返す。 が 以上なら、どこまで行っても速さが残る[1]。

脱出速度を出す
無限に遠いところで速さが になる場合を考えます。そこでは運動エネルギーも位置エネルギーも なので、 になる。
出発点でも でなければなりません[1]。
が両辺から消えます。
ロケットでも小石でも、必要な速さは同じ[4]。質量が大きいほど必要なエネルギーは増えますが、速さの条件は変わりません。
地表の g を使った形
という関係を使うと、身近な量だけで書けます。
地球の半径 を入れる。
秒速 です[3]。時速に直すとおよそ 万 になる。
第一宇宙速度の √2 倍になっている
地表すれすれを回る速さは でした。第一宇宙速度を 、脱出速度を と書くと、 つは平方根 個ぶんだけ違います。
で 。周回する速さから、 パーセント上乗せすれば出ていける計算になります[3]。
回り続けるのと出ていくのが、これほど近い値なのは意外に思えるところ。エネルギーで見れば 倍の差ですが、速さは平方根ぶんしか変わりません。
左の つは、いくら高く上がってもいつかは折り返します。右だけが折り返さない。境目は連続していて、 パーセント足りなければ戻ってきます。
向きは関係ない
脱出速度の式に角度は入っていません。真上でも斜めでも、その速さがあれば出ていける。
エネルギーだけで決まる条件なので、速度の向きは効かないためです。ただし斜めに撃つと地面や大気にぶつかるので、実際には使えません。
打ち上げが東向きに行われるのは、自転の速度を上乗せできるから。赤道では秒速 ほど得をします。
ほかの天体ではどうなるか
| 月 | 2.4 km/s |
| 火星 | 5.0 km/s |
| 地球 | 11.2 km/s |
| 木星 | 59.5 km/s |
| 太陽 | 617.5 km/s |
月が小さいのは、質量が小さく半径も小さいからです[4]。地球の 分の ほどしかない。
アポロ計画の月着陸船が小さくて済んだのは、この差のおかげです。帰りに必要な速さが低ければ、燃料も減る。
太陽系の外へ出るには、太陽の重力も振り切る必要があります。地球の公転速度を利用しても、地表から秒速 が要る[3]。これを第三宇宙速度といいます。
大気が残るかどうかも脱出速度で決まる
気体の分子は熱運動でばらばらの速さを持ちます。平均の速さは温度と分子の質量で決まる[2]。
この平均が脱出速度の 割を超えると、その気体は 億年のうちに半分以上が逃げてしまいます[2]。速い分子から順に抜けていくため。
大気の上層はおよそ です。水素分子ならこの式で秒速 、窒素分子なら秒速 になる。
地球の目安は の 割で秒速 。窒素は残り、水素は残らないという結果になります[2]。
月の目安は の 割で秒速 です。窒素でも超えてしまうので、大気そのものが残りません。
脱出速度が大きく、窒素や酸素の熱運動では届かない。軽い水素とヘリウムだけが逃げていく
脱出速度が小さく、どの気体も熱運動で届いてしまう。大気を保てず、真空に近い状態が続く
金星と火星の大気の濃さが極端に違うのも、この見積もりと重力の差から説明できます。同じ岩石惑星でも、質量が違えば残るものが変わる。
光さえ出られない大きさ
脱出速度の式で を光の速さ に置いてみます。
これより小さく押し込むと、光でも出ていけない計算になります。この半径をシュヴァルツシルト半径といいます。
地球の質量なら 、太陽の質量なら です。ビー玉ほどに縮めた地球が、それにあたる。
ニュートン力学で光を粒子として扱った計算と、一般相対性理論から出るシュヴァルツシルト半径は、偶然にも同じ式になります。
静止した球対称の天体まわりの時空を解いたときに現れる半径。中身の理屈は別なので、式が一致するのは結果だけの話になる。
速さが足りないとどうなるか
脱出速度に届かない打ち上げでも、物体はいったん高く上がります。どこまで上がるかは、エネルギーが尽きる位置で決まる。
地球の脱出速度の パーセントの速さで、真上へ物体を打ち上げました。この物体はどうなりますか。
- 地球の重力圏を出ていく
- 地球の半径の 倍あたりまで上がって落ちてくる
- その高さで止まったまま浮かぶ
- 地球を回る円軌道に入る
















エネルギーは E=21mv2−GMm/R で、v が脱出速度の 0.9 倍なら E は負のまま。どこかで運動エネルギーが尽きて折り返します。v2/2=0.81GM/R を使うと折り返す距離は R/(1−0.81) でおよそ 5.3R。真上へ撃っているので円軌道には入りません。