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

  • 浙江安吉:暑期乡村文旅热

  • 北京:机器人在公园“上岗”

独家策划

推荐阅读
这不只是一幅地质图,还是一套中国自主的图例标准。
2026-08-07 09:48
最近不少“中国神器”在全球刷屏。这些出圈的国货新品,早已摆脱低端代工、低价走量的旧标签,折射出中国制造的创新迭代与品质跃升。国货新品不断出圈、新产业蓬勃发展的背后,是中国制造的硬核实力。
2026-08-07 09:47
今年7月,国家药监局批准全球首个选择性食欲素2型受体激动剂上市,用于治疗16岁及以上青少年和成人1型发作性睡病。5月,恒瑞医药与百时美施贵宝达成新药授权合作,确定性付款9.5亿美元……今年以来,我国新药的好消息不断。
2026-08-07 09:47
在数据要素赋能方面,2025年国家数据局发布了100个公共数据“跑起来”示范场景,联合19个部门组织举办2025年“数据要素×”大赛并发布241个典型案例。
2026-08-07 09:46
近日,北京市14家市属公园陆续迎来多款机器人“新员工”,它们在公园“上岗”,承担清洁清扫、智慧巡检、问询导览、水面救援、绿化养护、生态监测等多项任务,将智慧服务融入公共生活。
2026-08-07 03:10
团队攻克了满足多功能、智能化的海缆敷设双通道布缆作业系统设计技术,使作业系统具备高度自动化和智能化水平。
2026-08-06 09:48
近日,云深处自主研发生产的四足机器人完成海关通关后出口瑞士,用于当地厂区安防、地下管网隐患排查等业务场景。“核电安全标准严苛,产品能够在瑞士核电站成功落地,充分印证国产机器人的稳定性和可靠性,我们已达成扩产合作意向。
2026-08-06 09:48
记者6日从中国科学院高能物理所获悉,我国科研人员领衔的北京谱仪Ⅲ实验国际合作组,历经15年实验研究,首次证明一类全新物质形态——胶球的存在。
2026-08-06 09:47
记者5日从中国科学院近代物理研究所获悉,该所科研团队与合作者依托强流重离子加速器装置(HIAF),成功产生并鉴别了稀有原子核铪-153。实验中,团队利用HIAF增强器提供的铋-209束流轰击石墨靶,通过弹核碎裂反应产生放射性核素。
2026-08-06 09:47
记者日前从陆军军医大学新桥医院血液病医学中心获悉,由该中心张曦教授和宋清晓研究员领衔的研究团队,首次揭示了皮肤慢性移植物抗宿主病(cGVHD)“久治难愈”的核心机制,找到了打破纤维化恶性循环的关键“开关”。
2026-08-06 02:30
最初,动画和实拍泾渭分明,然而随着手工转描、仿真合成、运动捕捉这类手段的引入,动画和实拍开始相互渗透。AI对动画与实拍的缝合,会将影像艺术彻底引向“泛动画”的时代。
2026-08-05 09:33
衣服透气不闷汗、个性化定制汽车交付快、人形机器人型号多,商品性能更好、生产效率更高、创新活力更足……近年来,这些生产生活中的变化,折射出纳米制造、柔性制造、共享制造等新趋势。
2026-08-05 09:26
在这样的微观世界里,科学家操控原子和分子,设计制造具有特殊性能的新材料、新器件,这就是纳米制造。目前,纳米制造已经实现在原子分子量级设计新材料,按需定制材料的储能、催化、防腐、导电等特性,突破传统制造的性能天花板。
2026-08-05 09:26
近日,中国农业科学院都市农业研究所联合国内外科研单位,发现了改良生菜体内的营养和风味物质的基因密码。生菜在被人类驯化与改良的漫长过程中,口感和营养发生显著变化,这背后离不开关键基因的“调控”。
2026-08-05 09:24
当地时间3日,在意大利佛罗伦萨举办的第46届国际空间研究委员会(COSPAR)科学大会上,中国气象局王劲松研究员荣获威廉·诺德伯格奖章。王劲松是首位获此殊荣的中国科学家,并同步获得一颗小行星命名。此次获奖表明,我国空间科学与应用领域研究成果获得国际学术界高度认可。
2026-08-05 07:40
石墨烯,单层碳原子排成的蜂窝薄膜,薄到极致。但把它一层层摞起来时,层与层之间如何错位——用专业术语叫作堆垛方式——会彻底改写材料的“脾气”。
2026-08-04 03:05
中国石化重庆川维化工公司5万吨/年特种聚乙烯醇(PVA)树脂装置日前顺利一次开车成功并产出合格产品,首批货品已发往欧洲。至此,川维化工PVA总产能达21万吨/年,跃居全球单一工厂中最大的高端PVA生产基地。
2026-08-04 03:05
菱方堆垛的石墨烯有一个天然“超能力”:电子彼此间的相互作用强,集体表现出超导、磁性等奇特行为。这在物理学上叫“强电子关联”——电子不再是各自乱跑的粒子,而是有着充分沟通的步调一致的集体,像一支训练有素的“乐队”。
2026-08-04 03:05
今年上半年,人工智能领域一系列标志性成果密集落地。在技术、应用、生态、治理的协力牵引下,人工智能产业迸发出前所未有的发展活力,赋能实体经济的成效持续凸显。
2026-08-04 09:31
近日,由人力资源社会保障部、安徽省人民政府共同主办的“创赢未来”创业大赛(以下简称“大赛”)全国赛在安徽合肥圆满收官。在大赛同步举办的创业安徽成果展区,一瓶瓶单原子农药整齐陈列,它们同样是“人工智能+创业”的杰作。
2026-08-04 09:31
加载更多