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【如果太空电梯与缆绳断开会如何？】新浪科技讯 北京时间1月25日消息 ， 据国外媒体报道 ， 在Apple TV剧集《基地》的第一集中 ， 有一名恐怖分子试图破坏银河帝国的太空电梯 。 我们不妨借此机会想象一下太空电梯会涉及哪些物理原理 ， 以及假如太空电梯真的发生了爆炸、可能会有什么后果 。
人类似乎很喜欢把东西送到大气层以外 ， 比如天气卫星、空间站、GPS导航卫星、詹姆斯·韦伯望远镜等等 。 但就目前而言 ， 将物资送入太空的唯一手段仍是利用受控的化学爆炸 ， 俗称“火箭” 。
火箭虽然很酷 ， 但成本高昂、效率偏低 。 假设我们要将1千克物资送到近地轨道上 ， 距地表约400公里 ， 高度和国际空间站差不多 。 要想将物体送入轨道 ， 我们要完成两件事 。 首先 ， 我们要将该物体送到400公里的高度上 。 但如果只提高海拔高度 ， 物体是无法长时间留在太空中的 ， 很快便会坠落回地球表面 。 因此要想让其留在近地轨道上 ， 我们必须让物体动起来 ， 而且要动得足够快才行 。


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先简单解释几个能量小知识：我们向一个系统中投入的能量（又称为做功）与该系统中的能量变化总和相等 。 我们可以给不同类型的能量建立数学模型 。 动能取决于物体的运动速度 ， 物体速度越快、动能越大 。 重力势能取决于物体与地球之间的距离 ， 因此物体海拔越高、重力势能越大 。
因此 ， 假设我们用火箭增加物体的重力势能（将其抬升到正确的高度上）、同时增加其动能（将其加速到足够快） 。 物体要想沿着轨道旋转 ， 速度其实比高度更重要 。 物体只有11%的能量归属于引力势能 ， 其余皆为动能 。
将仅仅1千克的物体送入轨道 ， 就需要耗费3300万焦耳的能量 。 而相比之下 ， 如果将一本书从地板上捡起来、放到桌子上 ， 只需耗费10焦耳 。 可见将物体送入轨道所耗的能量是多么惊人 。
但真正的问题其实比这还要棘手 。 利用化学火箭 ， 真正耗费的不仅是将1千克物体送入轨道的能量 ， 因为火箭还要携带飞至近地轨道所需的燃料 。 在燃料用完之前 ， 它们只会增加火箭载荷 ， 这意味着火箭发射时需要携带更多燃料才行 。 在现实中 ， 许多火箭携带的燃料占到了总重量的85% ， 效率可以说极其低下 。
那如果我们不借助化学火箭发射物体 ， 而是拉一根直通太空的缆线、让物体沿着缆线爬升呢？
太空电梯的基础知识
假设我们已经建起了一台400公里高的巨塔 。 你以为只要坐上电梯、升到塔顶 ， 就能进入太空了对吗？事实可没有这么简单 。
首先 ， 这种结构很难用钢铁搭建而成 ， 否则高塔的底部很可能被自身重量压垮 ， 而且耗费的材料量也太过庞大 。
但最大的难点还不在这里 ， 速度也是一大难题 。 （别忘了 ， 必须达到足够的运动速度才能停留在轨道上 。 ）由于地球一直在自转 ， 如果塔的基座位于地球赤道上 ， 位于400公里高度上的塔顶就会处于高速运动状态 。 地球自转一圈大约需要一天时间 ， 因此角速度约为每秒7.29 x 10-5弧度 。
角速度与线速度不同 ， 用于衡量旋转速度 。 （弧度是衡量旋转大小的单位 ， 与角度是两个不同的概念 。 ）如果两个人在同一根旋转臂上旋转 ， 两者角速度相同（假设均为1弧度每秒） ， 但离旋转中心较远的人移动速度更快 。 假设其中一人距旋转中心1米 ， 另一人距离中心3米 ， 二者的速度就分别为1m/s和3m/s 。 地球自转也是同理 ， 只要距地球足够远 ， 地球自转便能使你达到围绕地球旋转所需的轨道速度 。