点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:从行星运行轨道到引力弹弓,你看懂流浪地球了吗?
首页> 光明科普云> 科普资讯 > 正文

从行星运行轨道到引力弹弓,你看懂流浪地球了吗?

来源:光明网2023-01-31 17:23

  在《流浪地球2》描绘的“流浪地球计划”中,一个关键的节点是借助木星来让地球加速到足以离开太阳系。1月27日,《张朝阳的物理课》第一百一十八期开播,为广大网友带来了一节别开生面的物理课。课上张朝阳回顾了上一次直播课中关于洛希极限的讨论,并指出在地月系统靠近的过程中,地球强大的引力作用会显著改变月球的几何形状,从而不能再把月球看作刚体球,而应当讨论作为流体的月球和对应的洛希极限,月球实际解体的位置会比刚体模型的情况更远。随后他通过角动量守恒定理和能量守恒定律,化简了行星运动的轨道方程,并得到了方程的解。最后他讲解了引力弹弓的物理原理,并讨论了通过引力弹弓来加速的条件。

从行星运行轨道到引力弹弓,你看懂流浪地球了吗?

  引力弹弓的应用实例:旅行者号

  引力弹弓并非是科幻电影中的奇妙畅想,事实上这是一项早已实现,而且在航天事业中相当重要的技术。早在20世纪初期,就有苏联科学家提出,对于行星间的航行,可以利用行星卫星的万有引力来实现对航天器的速度控制。到了1959年,苏联航天器月球三号首次应用了这项技术。而最为知名的,当属1977年美国航空航天局(NASA)的旅行者计划。当时在美国航空航天局喷气推进实验室(NASA,JPL)工作的Gary Flandro发现了太阳系几个气体巨行星(木星、土星、天王星和海王星)的罕见排列,这一发现极大地推进了旅行者号的任务进程。在该任务中,共有两架航天器旅行者1号和旅行者2号被送出了地球,通过精心设计的轨道,它们造访了太阳系中的四颗气体巨行星,并借用引力弹弓加速来摆脱太阳的引力束缚,前往神秘的星际空间。直到今天,在旅行者们发射后的45年后,它们已经离开了太阳系,但仍然保留着部分机能。旅行者1号仍是人类第一个离开太阳系的飞行器,在距离太阳150.02天文单位的地方,它是距离地球最遥远的人造物体,向着蛇夫座方向前进。

  在每架旅行者飞船上,都携带着一张铜质磁碟唱片,包含了55种人类语言录制的问候语和音乐,试图向可能的“外星人”传达来自人类的友好问候。唱片也记载着地球自然界的声音,能够代表人类当时知识水平、技术信息和人类的形象。当时的人们把自己文明的代表刻印其上,让旅行者们带往太阳系以外的地方。也许在未来,人类文明消失于地球,这些唱片仍默默记录着人类在这个宇宙留下的痕迹。

从行星运行轨道到引力弹弓,你看懂流浪地球了吗?

  行星的圆轨道运动

  可能会有人对引力弹弓过程感到困惑不解:明明双曲线运动有着能量守恒的要求,入射和出射速度大小总是一样的,为什么可以用来加速呢?其中的奥妙正在于目标行星自身的速度。在行星参考系中探测器,如旅行者1号,受行星引力做双曲线运动,而在太阳参考系中,其离开行星的速度和接近行星的速度完全可以不一样。而且这个过程也并未违反能量守恒定律:行星自身的机械能是加速的来源,只是因为二者质量差距过于悬殊,提取出的能量相对行星自身是很小的。

  张朝阳选择旅行者1号在借助木星引力加速的过程来分析引力弹弓效应。在太阳参考系中,令旅行者1号在该过程的初始速度为v1,木星自身速度为vp,完成引力弹弓效应后旅行者1号的速度为v2。那么在木星的平动参考系中:由于过程发生的时间相比木星做圆周运动的时间是很短的,且由于极悬殊的质量差距,我们可以近似认为木星在整个过程里做匀速直线运动。

  实际航天计划里,通过合理选择β为一个较小的角度,通过|v2'-v1'|得到了一个较大的贡献。这样能够令航天器获取到相当大的速度提升,进而实现一个高效的加速过程。在实际的旅行者1号计划里边,分析NASA的数据可以得到α=113.66°,β=40.89°,木星速度大小为|vp| ≈ 13 km/s,旅行者1号的入射速度大小为|v1| ≈ 13.2 km/s,相对速度大小近似为|v1'| ≈ 11 km/s,有兴趣的读者可以使用今天的知识来推测旅行者1号离开木星时候的速度。这里给出NASA提供的官方数据,其值接近于|v2| ≈ 23.6 km/s。计算结果可能略高于这个数值,原因在于以上计算忽略了克服太阳引力的损失和速度数据并未取在无穷远而导致能量偏大。

从行星运行轨道到引力弹弓,你看懂流浪地球了吗?

  (图中横轴为到太阳的距离,纵轴代表速度。蓝线为旅行者1号相对太阳的速度大小和同太阳的距离之间的关系,红线则为对应距离下对太阳的逃逸速度。可以看到旅行者1号在5个天文单位和10个天文单位附近分别借助了木星与土星的引力弹弓来加速。)

[ 责编:战钊 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 纪念中国人民志愿军抗美援朝出国作战76周年活动在沈阳举行

  • 第33届中国杨凌农高会聚焦农业新质生产力

独家策划

推荐阅读
医药领域知识产权投资,关键不是“买专利”,而是投资一条从科研发现走向临床和市场的完整链条,打通从基础研究到产业落地的转化堵点。知识产权投资应更注重投早、投小、投长期、投硬科技,同时引入科研、临床、产业、法律和金融等多方专业力量。
2026-10-26 10:21
记者13日从民政部获悉,为发展壮大康复辅助器具产业,实现产业体系整体跃升,增进民生福祉,民政部等14部门日前联合印发《康复辅助器具产业扩能提质三年行动方案(2026—2028年)》。
2026-10-26 10:21
随着京津冀协同发展走向深入,唐山凭借不断升级的全域养老服务网络,渐渐成为京津老人跨城养老的热门目的地。如今,唐山正把“老有所养、老有所乐”的民生承诺,一步步变成老人触手可及的幸福日常。
2026-10-26 10:20
在南京,数据标注企业提供“燃料”、大模型企业主攻算法、政府持续推动场景开放,一体化产业生态逐步成型。会上,江苏发布“物理AI与世界模型高质量数据集建设行动计划”,展示一批“物理AI与世界模型”典型成果与典型场景,为全国行业发展提供实践参考。
2026-10-26 10:20
供需适配不能局限于满足企业眼前的用工需求,还应兼顾产业升级方向、人才培养周期和学生发展需要。建设技能型高校“国家队”,不仅要办好一批头部学校,更要探索其他学校可借鉴、可复制的改革发展路径。
2026-10-26 10:20
抵抗宏观物理破坏的“划不坏”能力,正是低功耗量子器件最重要的特质之一。
2026-10-23 04:20
2025年我国海洋生产总值突破11万亿元,占国内生产总值比重为7.9%。
2026-10-23 04:20
海洋能规模化利用迈出坚实步伐、取得积极成效。
2026-10-23 04:20
应急监测队不惧艰险、不计得失,以监测为刃、以坚守为盾。
2026-10-23 04:40
10月22日,工业和信息化部、国家发展改革委等八部门发布《产业基础能力提升“十五五”规划》。
2026-10-23 04:40
职工基本医疗保险(含生育保险)统筹基金收入14473.64亿元,城乡居民基本医疗保险统筹基金收入8554.69亿元。
2026-10-22 09:57
明确了如何衡量河湖复苏标准,如何确定河湖复苏目标,如何制定河湖复苏措施等技术要求,为指导母亲河复苏行动提供技术依据。
2026-10-22 09:48
聚焦医学人才培养的思想碰撞,正是学校探索育人新模式的一个缩影。
2026-10-22 09:47
形成覆盖重点领域、辐射全国的专精特新赋能网络,推动中小企业专精特新发展质量明显提升、专精特新“小巨人”企业持续涌现。
2026-10-22 09:46
这是我国首次提出全经济范围、包括所有温室气体的绝对量减排目标,为我国的绿色低碳转型指明了方向,提振了国际社会对全球气候治理的信心。
2026-10-22 09:43
2026年全国城市联合招聘高校毕业生秋季专场已推出新一批155场就业服务活动,包括面向人工智能、新能源、装备制造、现代服务、医疗卫生等重点行业领域的线上线下专场(校园)招聘会105场。
2026-10-22 09:44
担心被人工智能(AI)取代的员工,更容易在工作中消极怠工、迟到早退,甚至出现顺手拿走同事的午餐等人际越界行为。
2026-10-21 10:48
中国职业教育专题展上,摆着新能源汽车、港口航运、船舶焊接三个领域的未来实训中心项目。“无论实训条件和方式如何改变与优化,梳理并稳定现场关键岗位能力图谱,依然是未来实训中心的重要基石。
2026-10-21 10:48
记者日前从国家医保局了解到,医保钱包已升级到2.0版本,职工医保个人账户跨省共济功能实现全国全面落地。2.0版本的医保钱包都升级了哪些内容,谁可以使用,又如何使用呢?
2026-10-21 10:48
从基础化疗到双抗、多抗,再到抗体偶联药物(ADC),抗肿瘤新药正加速涌向临床。近日,京津冀第四届医药创新发展大会抗肿瘤新药安全与药学服务创新主题分会上,河北医科大学第四医院药学部主任冯锐用“百花齐放”形容当下的创新药格局。
2026-10-21 10:47
加载更多