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在17世纪80年代，伟大的物理学家年顿发现了万有引力定律，指出任何有质量的物体之间都存在着万有引力，使之具有相互吸引的趋势，这个引力的数值与两者的质量乘积成正比，与它们之间距离的平方值成反比。万有引力的提出，揭示了宇宙中所有物质的基本运动规律，特别对于宇宙中的大质量天体来说，对其运行特点以及轨道特征的研究具有重要意义，从而奠定了宇宙天体力学的基础。 
宇宙中的所有天体，在其形成演化的过程中，其吸聚的众多星际气体和尘埃物质本身具有的角动量，最后全部转化为天体本身以及围绕天体运行天体的角动量，使天体呈现周期性的自转，同时围绕着天体运行的其它物质也以一定的周期围绕其公转。而从围绕天体运行的物体来看，其在围绕大质量天体公转的过程中，所受到天体的万有引力形成的重力加速度，正好与公转时的向心加速度相同，于是该物体就可以围绕着该天体做匀速的圆周运动，距离天体越近，则所需要的向心加速度就越大，物体要保持稳定的公转，其水平方向上的运动速度就要越快。 
在牛顿发现万有引力定律之后，Bonnet将一个天体围绕另外一个天体公转的速度问题，表述为在许多等效的独立力场作用下，所有分力场共同推动产生的等效综合加速度起到的效果，其数值等于各个独立力场所形成的等效速度平方和的算术平方根。那么，对处于匀速圆周运动的天体来说，表现出来的分力场效果将最终集中在运动轨迹的切向方向和法向方向上，其中切向方向上的速度为线速度，法向方向上的速度为引力源对其的拉力效果。当物体围绕天体公转的线速度不够时，即沿着切向方向移动的距离，达不到因物体移动所“拉开”的与天体之间的空间距离时，那么这个由万有引力引发的拉力，将会使物体的运动轨迹不断向引力源中心“坠落”。 
基于上述原理，科学家们在判断一个物体能否围绕该天体正常运行时，引入了第一、第二和第三宇宙速度的概念，它们分别表示可以环绕地球运行、脱离地球引力束缚、脱离太阳系引力束缚3种条件下的最低水平运行速度。这3个最低速度的推导，其实应用的都是牛顿万有引力公式和向心力公式，先找到物体能够围绕引力源运行的临界速度，这个速度值为V1＝Sqrt(GM/r)，其中G为引力常数、M为引力源质量、r为物体与引力源中心的距离。 
对于第一宇宙速度来说，就是可以达到物体围绕地球做匀速圆周运行的最小速度，通过代入数值计算，可以得出V1＝7.9公里每秒，而实际我们发射卫星、航天器时，由于大气层的存在，不可能贴近地面绕行，必须远离一定的高度，一般需要在120公里以上，因此考虑到这个因素，第一宇宙的数值会有所下降，大约为7.8公里每秒。 
对于第二宇宙速度来说，因为它是需要脱离引力源引力束缚的最小速度，因此在判断这个临界值时，考虑的是物体的动能刚好等于物体的重力势能，即1/2*m*V2^2= G*M*m/r，然后推导出V2=Sqrt(2GM/r)，可以看出，第二宇宙速度的值是第一宇宙速度的根号2倍。当以地球为引力源时，那么将相关数值代入，可以计算出V2＝11.2公里每秒。 
对于第三宇宙速度来说，它是脱离太阳引力束缚所需要的最小速度，那么参照第二宇宙速度的计算方法，我们可以计算出这个速度的临界值为42.2公里每秒，然而这个速度并不是能够脱离太阳引力束缚的最小值，因为如果在地球上发射一个人造物体，那么其本身也会因地球围绕太阳公转而产生初始的29.8公里每秒的线速度，所以在两个速度差V’=42.2-29.8＝12.4公里每秒的基础上，加上克服地球引力做功的因素，我们可以得出：1/2*m*V3^2-G*M*m/r=1/2*m*V’^2，而G*M*m/r＝1/2*m*V2^2，因此可以计算出V3＝16.7公里每秒。 
从以上三种宇宙速度的临界值我们可以看出，当从地球上发射物体时，其水平切向速度如果小于V1，则最终会降回地面；当介于V1（包含）和V2之间时，会围绕地球做匀速圆周运动；当介于V2（包含）和V3之间时，会围绕太阳做匀速圆周运动；当大于等于V3时，会脱离太阳引力束缚。我们在上世纪发射的旅行者1号目前的速度已经超过16.7公里每秒这个第三宇宙速度，因此它最终将会飞向太阳系之外。 当然，按照这个规律进行推测，势必存在着这样的一个临界值，那就是脱离银河系的最低速度，即第四宇宙速度，那么为何大家很少提及这个速度呢？原因就在于以目前的科学技术水平，我们距离能够将发射的人造物体达到此速度方面还有很大的差距，同时银河系的整体质量目前科学界还没有统一的定论，而根据万有引力推导出来第四宇宙速度必须要明确银河系的整体质量，因此只能通过估算银河系的质量范围，来确定第四宇宙速度的区间，计算结果为110-120公里每秒之间。 
另外，即使以这样的速度运行，由于从地球发射的物体到达银河系边缘的距离非常遥远，达到7.5万光年左右，因此理论上物体飞离银河系所需的时间得需要1.8亿年，这么长的时间对于人类文明来说，发射这样的物体根本没有任何意义。 |
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