用初中知識科普引力彈弓,帶你流浪助你飛
隨著國產科幻電影《流浪地球》的火爆,關於硬科幻中的各類科技知識,也引發不少人的好奇,例如洛希極限、引力彈弓、逃逸速度、重核聚變等等,涉及到前沿物理學、天文學、數學等知識,對於初中階段的學生理解力而言,或許有點吃力,但站在科普角度,利用初中知識,是完全可以了解以上這些科幻概念的,本文嘗試從這個角度來解釋引力彈弓,為什麼地球在流浪途中需要藉助木星引力加速來完成從太陽系的逃逸。
一、地球逃出太陽系所需要的速度
在天文學上,逃逸速度分為第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度。
由於是整個地球進行逃逸,所以地球自身的速度也算在內,須達到16.7km/s,而行星發動機是無論如何也達不到這個速度的,因為地球自身質量太大,要推動這麼大個的傢伙在宇宙中航行,僅靠一萬臺重核聚變發動機也不行,這就需要藉助宇宙中其它的力量了。
二、藉助引力彈弓進行加速
在宇宙中,大質量的天體引力可以捕獲小質量的天體,使其成為衛星或乾脆墜入大質量天體,利用這個特性,地球可以藉助太陽系中大質量天體例如木星,航向木星時,保證地球能被木星捕獲而不至於墜入木星,這時木星便帶著地球這顆「衛星」一起繞太陽運行,如下圖:
形象地說明這一過程,便是地球從後方追上木星,搭上木星這趟快車,由木星帶著地球飛一段時間後,獲得更快速度後再脫離木星,這時地球的速度將超過剛剛飛近木星時,從而達到加速的目的,這便是引力彈弓最簡單的解釋了。就好比接力比賽中的接力棒一樣,由上一個選手遞給下一個選手,保持上一位選手速度的同時,也獲得第二位選手的加速,從而達到更快速度。
在上面圖中,木星與地球的比例仍然不太合適,畢竟木星體積是地球的1321倍,質量是地球的318倍,相對木星,地球像籃球邊一粒綠豆一般,因此藉助木星引力彈弓進行加速是可行的。下圖為較接近真實比例的太陽系中各星球,你找到地球了嗎?
同樣,太陽系中還存在土星可供引力彈弓加速,它的體積是地球的745倍, 質量是地球的95倍,還有天王星,體積是地球的65倍,質量是地球的14.5倍,以及海王星,其質量為地球的17倍,這些天體都能為地球提供引力彈弓加速,而與此同時,地球在離開太陽系之前,依然圍繞太陽運行,只不過每一次公轉,都比前一次遠離,即太陽也為地球提供了引力彈弓加速,從而讓地球獲得更大速度逃離太陽系。在原著中,地球需要繞太陽公轉15圈,以達到最終逃離結果,即在這15圈公轉中,地球不停藉助大質量天體進行加速,畢竟作為有史以來科幻小說中,人類推動的最大質量,需要大量加速才能達到逃離目的。