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

  • 斑斓初冬

  • 青少年选手超七成 首届世界无人机足球锦标赛启幕

独家策划

推荐阅读
以“智跃无界,开源致远”为主题的操作系统大会2025(以下简称“大会”)在北京举办。
2025-11-14 17:08
我国在4个国家开展6处文物古迹保护修复,49项中外联合考古项目涉及28个国家和地区,用实际行动践行全球文明倡议、不断丰富世界文明百花园。
2025-11-13 07:07
由四川省人民政府主办的2025世界动力电池大会12日在宜宾市开幕。
2025-11-13 04:55
据估算,太阳每秒钟释放的能量,可供全人类使用约70万年。模拟太阳来产生无尽的清洁能源,也因此成为人类的“终极能源梦想”。
2025-11-13 04:55
日前,中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所、中科合肥智能育种加速器创新研究院联合发布重要成果:全链条机器人育种家“小海”与“海霸设施”小麦快速育种商业化服务平台同步启动,标志着我国在智能育种装备与工程化应用上取得关键突破。
2025-11-13 04:55
日前,记者从全球规模最大的恐龙蛋化石遗址——湖北青龙山恐龙蛋化石群国家级自然保护区获悉,数字化档案建设团队正为库藏的每一枚较完整恐龙蛋化石,赋予由“保护区名称—化石产地名称—库藏箱编号—标本编号”构成的唯一“身份证ID”。这标志着该保护区首次实现恐龙蛋化石专属标识管理。
2025-11-13 04:55
困扰无数人的睡眠问题,终于有一部纪录片说清楚了!
2025-11-13 08:55
国家卫生健康委百万减残工程专家委员会主任委员、中国医学科学院北京协和医学院院校长吉训明介绍,目前,全国已有20个省份成立减残工程专委会,8个省份正在积极推进。
2025-11-12 07:24
2025年是中国科学院院士、我国理论物理学奠基人、“两弹一星功勋奖章”获得者彭桓武诞辰110周年。
2025-11-12 07:23
由中国科学院昆明动物研究所牵头,联合国内外多家科研机构组成的研究团队,通过对现存及灭绝长臂猿的大规模基因组测序与比较分析,系统阐明了长臂猿科的演化历程、种群动态及其标志性长臂表型的遗传基础,为全球长臂猿的保护行动提供了新的科学见解,相关研究成果日前发表于国际学术期刊《细胞》。
2025-11-12 05:10
11月11日,长征八号甲遥五运载火箭在海南商业航天发射场成功实施转运,计划择期发射。
2025-11-12 05:10
近日,中核集团中国原子能科学研究院主导建设的量子放射性计量实验室及电离辐射计量级设备“一线多用”产研平台正式投入运行,成功填补我国在低温量子磁量热计领域的空白。
2025-11-12 05:10
在数据管理与使用方面,《实施方案》提出,实行物流公共数据分类分级管理,规范开展数据授权运营,扩大路网、轨迹、企业、人员等关键数据供给。
2025-11-11 10:03
中国科协日前发布的《中国科技期刊发展蓝皮书(2025)》显示,我国科技期刊总量持续增加,从2023年的5211种提升至2024年的5325种,整体影响力稳步提升。
2025-11-11 10:04
空天地一体化网络作为国家信息化的重要基础设施,其战略意义远超普通通信技术范畴,它不仅是我国实现信息全球覆盖、自主创新的必由之路,更是在数字时代掌握发展主动权的关键布局。
2025-11-11 10:02
拔尖创新人才培养不是考验瞬间爆发力的短跑,而是需要长期持久力的马拉松。 在课程体系搭建上,北航实验学校打造了“五级阶梯式”科技创新人才贯通培养课程群,实现从基础普及到进阶的无缝衔接。
2025-11-11 10:00
日前,国务院办公厅印发《关于加快场景培育和开放推动新场景大规模应用的实施意见》(以下简称《意见》),对相关工作作出部署。
2025-11-11 09:50
11月9日,国航C919重飞“两航起义”航线主题航班从香港飞抵天津,重温76年前“两航起义”的北飞航程,致敬“两航起义”爱国壮举。“两航”后代陈绍曾介绍,76年前,“两航起义”飞行员从香港驾驶12架飞机飞抵北京、天津,建设新中国民航事业。
2025-11-10 10:10
“超级细菌”指那些对多种抗生素具有耐药性的细菌。研究人员在一种常用药物的生产流程中意外发现一种很有前景的强效抗生素,能够杀死耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等“超级细菌”。
2025-11-10 10:09
11月9日,2025年世界互联网大会乌镇峰会在浙江乌镇闭幕。世界互联网大会秘书长任贤良用“聚焦构建网络空间命运共同体理念”“关注创新发展热点议题”“不断擦亮峰会品牌”“持续贡献智慧力量”概括了本届峰会的特点。
2025-11-10 10:08
加载更多