用初中知識科普引力彈弓,帶你流浪助你飛

2020-12-04 愛數學做數學

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。

相關焦點

  • 帶你了解引力彈弓效應
    帶你了解引力彈弓效應 春節期間上映的電影《流浪地球》以「硬科幻」的特點收穫大量好評。「地球想逃出太陽系,為什麼偏要走到離木星那麼近的地方去?」在看完《流浪地球》後,很多人都有這樣的疑問。電影和原著小說中都籠統地解釋了一下其中的原理——引力彈弓效應。今天,人民網科普中國就帶大家仔細了解一下什麼是引力彈弓效應。
  • 《流浪地球》的引力彈弓究竟是啥
    最近在看完大熱的科幻電影《流浪地球》後,很多人都有這樣的疑問。雖然電影和原著小說中都籠統地解釋這是為了利用「引力彈弓」,但想解釋什麼是「引力彈弓」,卻著實要費一番口舌。  不知你小時候是否玩過一種叫「彈力球」的玩具,這種玩具由於彈性極強,丟到哪裡都幾乎會以原速彈回來。
  • 看流浪地球漲知識:如何利用木星加速逃逸太陽系——圖解引力彈弓
    本期知識看點:圖解引力彈弓,地球和木星玩起了蕩鞦韆看過電影《流浪地球》的朋友都知道,地球為了不被太陽吞沒,裝上了一萬座行星發動機,開始了飛向4.2光年外比鄰星的流浪之旅。原因3:僅逃逸速度還不夠,最終將加速到光速的千分之五到百分之一,地球逃逸太陽系時速度將遠超逃逸速度才行,單純靠行星發動機加速,就好比僅靠人力爬山,費時費力;借用木星引力彈弓就好比在山腳用蹦床或者彈弓直接彈射到山頂,省時省力。2.
  • 科普:《流浪地球》裡的硬科學,引力彈弓!
    我國第一部科幻電影《流浪地球》已經上映了,相信不少小夥伴也已經看過了,在電影中地球被木星捕獲,最後時刻各個國家,不同民族的人聚在一起,為地球最後的希望而努力的畫面震撼人心,那麼地球為什麼要進入木星軌道呢?
  • 流浪地球:沒有引力勢能的火星「引力彈弓」
    《流浪地球》已經掀起了一股太空熱,有朋友對火星「引力彈弓」持懷疑態度:引力勢能只和位置有關,地球靠近火星時加速,離開火星時減速,最後不是竹籃打水一場空嗎?實際上,這個想法完全正確,「引力彈弓」和火星引力勢能完全沒有關係。
  • 欣賞科幻電影必備知識:引力彈弓效應
    相信喜歡看科幻電影的朋友,一般應該聽過引力彈弓效應,中國最火的科幻電影《流浪地球》,其實就是講述了引力彈弓的故事,關於電影裡的事兒,我們一會兒再說,我們先來看下面的一個問題。其實這是講解引力彈弓效應最常用的例子,只是很少有詳細的解算,今天就稍微硬核一下,先來講一下這個計算,高中物理就完全可以解釋,當然看不懂也完全沒有關係,不影響引力彈弓效應的理解。如下圖所示,小球m與大球M發生完全彈性碰撞。
  • 宇宙中能量傳遞的紐帶:引力彈弓,幫地球去流浪
    由劉慈欣小說同名小說改編的國產首部硬科幻巨作影片《流浪地球》可謂是在春節檔出盡了風頭。 「流浪地球」到底是什麼?簡單說,這是一項龐大的星際移民計劃,將延續2500年,跨越5個時代。
  • 《流浪地球》中的引力彈弓效應是怎麼回事?
    引力彈弓效應就是利用大型天體的引力場,來給較小物體進行加速的一種方法。在最近上映的《流浪地球》中,地球利用木星引力進行加速,讓很多人知道了「引力彈弓」一詞;試想我們在打桌球時,一個慢速球過來,我們一拍子回過去,就能把桌球加速到很高的速度。
  • 《流浪地球》我們的徵途是星辰大海!引力彈弓和剛體洛希極限
    這其實就是「流浪地球計劃」的第三個「先流浪階段「。這裡我們首先需要明白地球駛入木星周圍的原因。引力助推也叫做引力彈弓(Gravitational slingshot)在航天動力學和宇宙空間動力學中,所謂的引力助推(也被稱為引力彈弓效應或繞行星變軌)是利用行星或其他天體的相對運動和引力改變飛行器的軌道和速度,以此來節省燃料、時間和計劃成本。
  • 木星的引力彈弓為流浪地球加速,木星的軌道會變嗎?
    引力彈弓是利用星球的引力給探測器加速的一種常用方法,人類發射的飛往地球軌道之外的探測器,很多就用到了引力彈弓進行加速。人類在70年代的時候能夠發射飛出太陽系的旅行者號飛船,就是因為當時的時機非常好,可以連續藉助多顆星球的引力進行加速。
  • 《流浪地球》中,「引力彈弓」借木星加速,現實中為何不能實現?
    《流浪地球》主要講述的故事就是,在未來的時間內,太陽有可能會發生氦閃,對地球上的人類造成毀滅性的打擊,人類為了繼續繁衍生息,不得已利用行星推進器,帶著地球「逃離」太陽系,前往4.2光年外的比鄰星。而在《流浪地球》當中,比較富有爭議的一個情節,那就是地球在加速脫離原有軌道的時候,會先途徑木星,同時利用「引力彈弓」的效應,藉助木星來為地球進行加速,更容易幫助地球逃脫太陽的引力束縛。那麼引力彈弓又是什麼樣的原理?為什麼許多專業人士,都說藉助木星的「引力彈弓」現實中是不可能實現的?今天小編就來和大家聊一聊這個問題。
  • 縮短國足的流浪時間歸化會是引力彈弓嗎
    正在熱映的電影《流浪地球》中,人類為了自救,傾盡全力在地球上建造了上萬座行星發動機,要用2500年的時間推動地球離開太陽系,奔往另一個棲息之所——4.2光年之外的比鄰星。為了用最短的時間到達4.2光年距離以外的目的地,人類想到了藉助木星產生的引力彈弓。而這一幕,國足球迷們有沒有覺得「這一集我看過」?
  • 《流浪地球》天體物理知識科普!
    《流浪地球》天體物理知識科普!   引力彈弓就是利用行星的重力場來給太空探測船加速,將它甩向下一個目標,也就是把行星當作「引力助推器」。
  • 解讀《流浪地球》:引力彈弓已有實踐,可控核聚變仍在努力
    正在熱播的電影《流浪地球》昨天票房已經突破30億元人民幣,刷新國產科幻片的票房紀錄。這部電影之所以取得成功,除了扣人心弦的情節設計外,還展示了大量刷新觀眾認知的未來科學新技術。 影片熱播的同時,不少觀眾對影片裡的「硬科幻」技術和宇宙空間較起了真,討論其究竟屬於科學,還是處於幻想。
  • 流浪地球:推動行星?引力彈弓?網友:真的可行嗎?
    自上映以來,《流浪地球》口碑日漸上升,近日票房獨佔鰲頭。那麼對於電影中的某些「高級科技」,現實中可行嗎?首先,我們來討論支撐影片的大環境線索理論:在太陽燃料耗盡演變為紅巨星之際,人類為了尋求新的宜居帶,選擇用發動機推動地球。
  • 從彈性碰撞,說「引力彈弓效應「
    這個寒假,中國的科幻大片《流浪地球》引發了物理的熱潮,電影中出現了很多硬科技。最後,地球通過推進器和引力彈弓效應,推動地球離開太陽系。
  • 看不懂《流浪地球》裡的科學奧秘?聽聽專家「科普」
    別急,南航專家來幫你「科普」   《流浪地球》劇照。不少觀眾在看完電影後依然覺得摸不著頭腦,到底什麼是「引力彈弓」?「重聚變發動機」又是怎樣工作的?南京航空航天大學理學院副教授李晉斌應邀為揚子晚報做了專門解讀。
  • 看懂《流浪地球》,孩子必讀的10大科普!
    帶上這些科普知識去看《流浪地球》,收穫更大。引力彈弓電影中最讓人難懂的之處,地球為什麼會被木星引力捕捉,這裡就是引力彈弓效應。還有卡西尼號探測器,兩次飛掠過金星,之後又途經地球、木星,最終才到達了土星。《流浪地球》把飛行器換成了地球,原理不變,只是要想讓地球發動機助推器產生的動能完全超越太陽引力,就必須借用木星這個大塊頭,把地球反彈出去。
  • 《流浪地球》裡的引力彈弓會導致木星公轉變慢嗎
    引力彈弓遵循的其實是動量守恆,而不是能量守恆。能量守恆是對應的是時間平移不變性,而動量守恆是對應空間平移不變性。引力彈弓所對應的就是動量守恆。可以把引力彈弓理解成碰撞,在碰撞後符合動量守恆,以正面碰撞來說,也就是相當於引力彈弓中加速最大的反向引力彈弓,如圖。
  • 太空飛行器可以利用太陽、地球和月球來做「引力彈弓」嗎?
    老周有個朋友很有趣,自從看了電影《流浪地球》之後,言必稱「引力彈弓」:星際旅行怎麼才能更快?「引力彈弓呀!太陽引力大,用太陽做引力彈弓,『嗖』的一下就飛出去了。」怎麼去火星?「用月球做引力彈弓,又快又省油。」那麼怎麼飛去月球呢?「還是引力彈弓呀!用地球的引力彈弓把太空飛行器甩到月球上。」引力彈弓果真這麼好用?