牛顿在飞行员的座位上

将漫游者登陆火星需要大量的思考和工作。这不像你在地球上，你可以检查东西，取几个样本，直接做必要的测量。为了让“毅力”号这样的着陆器着陆，科学家和工程师必须考虑目标行星的重力、漫游者的飞行速度和着陆器表面的状况。谢天谢地，有个人让计算这些事情变得容易多了:艾萨克·牛顿爵士。

抛射体运动

在外国星球上着陆任何东西都需要计划。这些任务耗资数十亿美元，耗时数年。如果在月球车着陆的那天有暴风雨怎么办?还是一场意外的火星地震摧毁了着陆地点?

好在火星上有卫星监测风暴和地震。这意味着地面状况是提前知道的——就像我们在挑选一天的鞋子之前查看天气预报一样。

中国火星任务“天文一号”于2021年2月10日进入火星轨道，并将在那里停留几个月，检查着陆器和月球车的着陆点。

卫星也是漫游者在返回地球的路上发送数据的最佳地点。

为了理解卫星是如何运行的，让我们先想想扔一个球。发射的球将沿着水平方向和垂直方向向下移动到地面。它水平移动是因为投掷给了它一个水平力，它向下移动是因为重力。

如果球扔得更用力，它会在水平方向上移动得更远，但由于重力的作用保持不变，它会花同样的时间落在地面上(~9.8 Nms)^－２我们将在第三定律中再次讨论)。

如果你把球扔得更高，它到达地面所需的时间也更长，因为垂直距离更大。

现在，如果你把一个球扔得足够高，用足够的力发射它，它会像第一个球一样以同样的水平和垂直运动，但它会一直与地球擦肩而过，因为地球是圆的。这正是卫星(包括月球)在轨道上运行的方式:它总是朝着地球坠落，但它总是失踪，并围绕地球运行。

牛顿第一定律

当卫星绕行星运行时，作用在卫星上的水平力是平衡的。这是因为实际上没有摩擦力。这意味着卫星可以继续绕轨道运行，收集数据，而不需要动力，比如发动机。

牛顿第一定律解释了这一点。

第一定律说:除非受到不平衡力的作用，静止的物体将保持静止，运动的物体将保持运动，以相同的速度和方向运动。

“天文一号”和“恒心”通信卫星都是相对于火星表面移动的，因此都在运动中。由于没有外部的不平衡力作用在它们身上，我们知道只要我们需要它们，它们就会以相同的水平速度继续运行。

当“天文一号”着陆器和月球车准备降落时，将使用推进器。这就产生了一种不平衡的力，推动着陆器和漫游者脱离轨道，降落到火星上。

推进器也需要减缓它在火星表面的速度，这样它就不会坠毁在火星上。要知道需要多大的力需要牛顿的第二和第三定律。

牛顿第二定律

在写下他的第一定律的同时，牛顿认识到施加在一个物体上的不平衡力，物体的质量和这个力产生的加速度之间存在关系。

他发现，施加在质量为m的物体上的不平衡力F越大，加速度a就越大。

由此，他推导并写出了第二定律:力=质量x加速度。

恒心着陆器的质量是1025公斤，所以我们可以用牛顿第二定律来计算作用在着陆器上的向下的力。火星的重力加速度为3.69毫秒^－１向下的力是:

F = 1025 x 3.69 = 3782 N

当“毅力”号带着这种力量飞向火星表面时，一个降落伞被用来减缓它的速度。降落伞在着陆器上提供了一个向上的力，这减少了不平衡的力。

牛顿第三定律

火箭从地球升空时，向地面喷射气体。牛顿第三定律解释了向下推动气体如何使火箭上升。

第三定律说，每一个作用力都有一个大小相等方向相反的反作用力。

因此，当气体被推出和向下时，它们又推回火箭，把它向上提。作用在气体上的向下的力的大小将与作用在火箭上的合力的大小相同。

如果气体产生足够的向上的力，它将大于作用在火箭上的重力所产生的向下的力。这个不平衡的合力将火箭推向更大的力的方向(所以在这种情况下，向上)，这是牛顿第二定律所描述的。

推进器和助推器也被用来在“毅力”号抛下降落伞后着陆。气体被迫向下排出推进器，因此气体以相反的方向，对推进器施加了相同的力。这使得漫游者的速度足够慢，着陆时不会发生碰撞。

工程师和科学家使用非常精确的计算,以确保探测器上的向下的力只有少量高于向上的推进器(记住,第一定律告诉我们,如果他们完全相等,或平衡,探测器将刚刚“徘徊”在那里)。结果是平稳而温和的着陆，昂贵的设备没有损坏，而且非常凉爽视频．

宇宙飞船工程师、数学家、地质学家、天体物理学家、数据科学家、燃料化学家以及其他各种各样的人都必须共同努力，帮助“毅力”号登陆火星。但他们总是让牛顿坐在飞行员的位置上。

澳大利亚皇家学院有一个基于这篇文章的教育资源。你可以访问它在这里．