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

  • 第140届广交会第一期线下展:18.9万名境外采购商到会

  • 《长征专题书目(1936—2026)》出版发行

独家策划

推荐阅读
智能科技是当前最具革命性、引领性的科技前沿,是推动新质生产力质态变革的关键力量,它不仅表现为技术层面的迭代,更体现为生产方式、产业形态和价值创造模式的系统性重构,并推动形成智能经济新形态。
2026-10-20 10:00
推进全球人工智能伦理治理,必须坚持“以人为本、向上向善”,以增进全人类共同福祉为根本目标,从技术普惠、精准治理、多元参与和全球共治四个方面协同推进,构建发展机会均等、权责边界清晰、国际协同高效的治理秩序。
2026-10-20 09:59
人民健康是民族昌盛和国家强盛的重要标志,也是中国式现代化行稳致远的根基所在。时隔十年,2026年10月,全国卫生与健康大会再次召开。回望十载征途,健康中国已从宏伟蓝图,化作大江南北触手可及的民生福祉。
2026-10-20 09:58
自然如何不被贫困“吞噬”,跨境之痛如何共担,资金如何流向正确方向——16日在亚美尼亚首都埃里温举行的生物多样性领导人峰会,就这三个问题向《生物多样性公约》第十七次缔约方大会(COP17)正式谈判传递出三个诉求:把自然保护纳入安全议程,让全球目标回应区域现实,让资金和措施真正到位。
2026-10-20 09:57
生产要素创新性配置,推动资源治理由技术优化向制度协调延伸。算电协同、算水协同揭示的资源逻辑,是技术创新改变资源利用方式、要素创新性配置提升系统效能、产业转型升级实现综合价值的有机统一。
2026-10-20 09:55
围绕“科学作为全球公共产品”“负责任的人工智能应对全球挑战”“科学、社会与信任”三大议题开展对话交流
2026-10-20 08:58
2026国际科学理事会中期会员大会暨北京科学对话由国际科学理事会主办,中国科学技术协会、中国科学院、中国社会科学院、北京市人民政府共同举办
2026-10-20 08:29
城市是人民美好生活的载体,人民群众是城市建设的主体和城市发展的动力源泉。
2026-10-19 09:32
当你出门后,扫地机器人根据你的清洁习惯自己排定工作时间、规划好路线;自研的快充技术,让它边充边扫、无限续航。这个颇具科幻意味的场景,已被第140届中国进出口商品交易会(广交会)上的一款产品实现。
2026-10-19 09:35
“可信工具”这一重要提法精准抓住了人工智能发展的一个根本问题:我们不能只问人工智能是不是更聪明、更高效、更强大,还要追问它是否真正可信。
2026-10-19 09:31
让从农田到餐桌的全过程均有标准可依,并积极推广应用食品数字标签,让食品信息获取更便捷高效。
2026-10-19 09:18
推动卫生与健康事业高质量发展,不断提高人民健康水平,确保健康中国建设取得决定性进展。
2026-10-19 09:16
当前全球生态环境挑战日益严峻,科技创新是应对可持续发展挑战的核心力量。
2026-10-16 16:29
10月16日是第四十六个世界粮食日,所在周是全国粮食安全宣传周,主题为“创新当下,粮安未来”。从良种选育、智能农机到数字农业、精准储运,创新正成为粮食增产、节粮减损、营养提升的关键引擎。即日起,光明网联合科普中国推出系列科普视频,深入解读科技创新绘就的粮安答卷。
2026-10-16 08:46
在显示技术升级与人工智能赋能的双重驱动下,行业正跳出传统数字阅读的固有边界
2026-10-16 08:45
打造集技术研发、模型训练、系统验证及场景测试于一体的创新基地,推动人形机器人及具身智能技术从实验室研发阶段走向大规模产业应用。
2026-10-16 08:39
工业和信息化部、中央网信办、市场监管总局高度重视,在前期调查工作基础上,成立联合调查组开展核查,并依法依规处理。有关情况将及时公布。
2026-10-16 08:40
大会延续“零碳·科技”永久主题,以“智储新程 绿动全球”为年度主题
2026-10-16 08:35
“戈壁荒滩老风口,飞沙走石雁不留。托里县老风口蝶变的三部曲,为生态脆弱地区推动高质量发展、树立和践行正确政绩观,提供了深刻启示。树立和践行正确政绩观,就要算大账、算长远账、算整体账,既做显功、也做潜功,把生态优势转化为发展优势、民生福祉。
2026-10-15 09:51
常压下,水到0℃会结冰,这就是人们熟悉的相变,0℃即是相变的临界点。两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳,把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。
2026-10-15 09:49
加载更多