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 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 广西:凝心聚力 恢复生产生活秩序

独家策划

推荐阅读
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上强调,“十五五”时期是科技强国建设的关键攻坚期。必须抓住历史机遇,迎接时代挑战,加快推进高水平科技自立自强,向着到2035年建成科技强国的目标坚定迈进,扎扎实实以科技创新支撑和引领中国式现代化。
2026-07-10 09:45
围棋长期被视为高度依赖经验、直觉和审美判断的领域,棋手通过棋谱、布局、定式、手筋和长期对局积累对“好棋”的理解。这类进展的意义,不只是“提高实验效率”,更深层的变化在于,它改变了科学发现中“候选对象”生成的方式。
2026-07-10 09:43
丁烈云认为,面向工程难题,要用工程理论支撑技术突破,打通“工程科学—工程技术—产业应用”完整链条,让前沿科技真正服务于社会。针对高端装备制造转型升级痛点,中国工程院院士郭东明系统阐释了高性能制造的全新发展理念。
2026-07-10 09:41
在9日举行的两院院士大会上,我国石油地质与勘探专家邱中建院士荣获第十六届光华工程科技奖成就奖,高性能精密制造专家郭东明院士等39人荣获光华工程科技奖。
2026-07-10 09:40
人民大会堂万人大礼堂的巨大天幕上,灯光璀璨,熠熠生辉;礼堂内,中国科技界的杰出代表们,肩负全国科技工作者的重托,济济一堂、共襄盛会。
2026-07-10 09:39
水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究:在一滴水中探寻物理之美 在王恩哥看来,物理学研究有一个很大的特点,就是它能把复杂的事情简单化,并且抓住其中最本质的问题——这就是物理学的魅力所在。
2026-07-09 09:51
而这一切的起点,要回到半个世纪前——在中国科学院物理研究所那间废弃的鸡舍里,陈立泉铺开了这张后来冠绝全球的“电动”蓝图。自1981年起,在中国科学院的持续支持下,实验室瞄准真正实用的锂电池,牵头组织并承担了一系列国家重大项目。
2026-07-09 09:51
谈及荣获国家最高科学技术奖,贲德谦虚地说:“这不是我个人的奖,而是所有‘雷达人’的荣誉。从原理探索到技术攻关再到雷达建造,10余载春秋,为了研制代号“7010”的远程相控阵雷达,贲德与团队闯过了一个又一个难关。
2026-07-09 09:50
发展数智经济,通过促进科技创新和产业创新深度融合培育新质生产力。为此,笔者建议,应从要素供给、产业融合、创新转化和制度保障四个方面发力,把数智经济的技术势能转化为新质生产力的发展动能。
2026-07-09 09:50
耄耋之年,她坐着轮椅来到采访室,一身深蓝素装,神情温和。她,就是“七一勋章”获得者、中国工程院院士、中南大学教授钟掘。1960年,钟掘毕业后来到岳麓山下的中南矿冶学院,一头扎进被人称作“傻大黑粗”的冶金机械行业。
2026-07-09 09:49
中国科协第十一次全国代表大会是在“十五五”开局之年召开的一次重要会议,是科协系统和广大科技工作者的一次盛会。实践充分证明,我国科技工作者始终胸怀祖国、服务人民、勇攀高峰、敢为人先,不愧为党和国家充分信赖的优秀队伍和建设科技强国的中坚力量。
2026-07-09 09:49
从安装智能芯片的比赛用球,到协助裁判的视频技术,再到支持百万球迷转运的中国列车……这支“中国队”被美国消费者新闻与商业频道誉为世界杯供应链“不可或缺的一环”。
2026-07-08 10:08
7月7日是小暑节气,恰逢年度“最小太阳”现身天宇。当日凌晨2时左右,地球过远日点,这是一年中地球距离太阳最远的位置,这天观测到的太阳视直径为全年最小。
2026-07-08 10:06
近日,西南石油大学新能源与材料学院光伏材料与技术科研团队传出好消息:其研发的小尺寸超高效叠层太阳能电池光电转换效率接近35%,大幅超越常规太阳能电池的光电转换效率。
2026-07-08 10:04
目前,大连海事大学已与72家行业单位建立联合培养,共建162个专业实践基地、4个工程技术中心,聘任600余名企业导师,真正实现“工程出题、校企共答、产业阅卷”。
2026-07-08 09:52
一生钢铁报国,一生慷慨无私。崔崑院士走了,但他留下的,是钢的筋骨,是火的温度,是一颗永远滚烫的赤子之心。
2026-07-08 09:45
在河北雄安人工智能产业园的一楼展厅里,一台工业机器人正利落地演示货物搬运,机械臂精准而有力;楼上,键盘敲击声此起彼伏,研发人员专注地写着代码。产业园一年前才“开业”,如今已成为人工智能公司发展的产业高地。这里诞生的国内首个处理结构化数据的通用大模型,适用于多个工业场景;这里诞生了便携式颅脑出血检测分析仪,让医学检查更加快捷便利……
2026-07-07 09:44
从“争第一”的局部超越,到“创唯一”的向上突围,再到“守专一”的产业韧性,这三重创新路径相互交织,共同勾勒出中国从“世界工厂”迈向“创新引擎”的壮阔图景
2026-07-07 09:42
近日,在内蒙古阿拉善盟额济纳旗东风镇古日乃嘎查的航天育种试验基地内,曾搭载实践十九号卫星的荒漠肉苁蓉“太空种子”,在地面选育试验中取得关键进展——首批试验植株成功开花。
2026-07-07 09:40
高校专业目录的更新,绝非简单的名称变动,而是立足国家需要、顺应产业发展、面向科技前沿之举。新农科教育已不再是单纯的“种地养猪”,而是要有系统思维和交叉学科背景,特别是打破农学、工学、理学等传统学科壁垒。
2026-07-07 09:39
加载更多