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热映《流浪地球》理综科目最全高考知识清单
来源:考生网 日期:2019-02-13
地球如何逃离太阳的毁灭
这是电影对原着设定最大的"省略"之处.
你以为装上发动机就可以让地球直线逃离吗?并不是,行星这样的"越轨",也要符合轨道动力学,太阳也是有引力的,所以会用到变轨加速.
因为地球发动机没那么大劲儿,它只能给地球很小的加速度,不能把地球一下子推出太阳轨道,在地球离开太阳前,还要绕着它转15个圈!在这15个圈中地球慢慢加速.而且速度越快,这圈就越扁,所以地球有时离太阳会很远,有时候会很近.
原着中当地球运行到近日点的时候,就会有地球要被太阳吞并的阴谋论,导致全球人心惶惶,东半球大陆上草木生烟.电影开场一家人在海边的场景,电影世界观中是地球启航之前的故事,而在原着中来源于地球运行到远日点顶端那一天,地球人如同过年一样,因为这时地球距太阳最远,人们都有一种虚幻的安全感.
原着中塑造了一个对太阳感动恐惧的氛围,开始发生的时间,主角出生在地球刚刚停止转动之际.书中表示,地球光是"自转刹车"就用了42年,然后围着太阳绕圈加速.地球刹车之后,围绕太阳的转圈,到第15个公转轨道时,最后一次通过近日点时候,主角已经结婚了,东半球将迎来两千五百年的黑夜,然后在远日点才到达了木星轨道.
引力弹弓
电影中最让人难懂的之处,地球为什么会被木星引力捕捉,这里就是引力弹弓效应.
引力弹弓(又名引领助推)就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作"引力助推器".
这有点类似离心力,以飞行器为例,飞往内行星,朝向太阳就可以获得加速度;而飞往外行星的飞行器,就算有着火箭助推器,由于是背向太阳飞行的,要抵抗太阳引力,故其速度会逐渐降低.
(这也是原着中为什么地球要绕太阳15个圈,而且"圈"越来越扁的原因,否则速度不够,根本到达了不了木星轨道)
所以在飞行器朝着内行星飞时(如金星,水星不行,因为这行星没有大气层),是要利用该原理减速.
而朝着外行星飞时,是要加速.飞行器第一次从远距离接近行星时,在轨道速度之下,利用火箭助推器,最终产生超越轨道速度的动能,产生的运动效果就像该飞行器被行星反弹开了.
这一连串动作,叫做行星引力辅助变轨.通俗的来说,假如轨道行星是一个黑帮老大,跟上我的速度才能入伙,来了之后就老老实实当我的小弟(卫星),一旦你速度太快超了我,就赶紧滚,有多远滚多远...
人类历史上很多飞行器都是这样完成的,比如水手10号,它于1974年2月5日经过金星,经过引力助推减速之后到达水星,否则因为太阳引力,速度太快就直接"跑过了".还有卡西尼号探测器,两次飞掠过金星,之后又途经地球、木星,最终才到达了土星.
《流浪地球》把飞行器换成了地球,原理不变,只是要想让地球发动机助推器产生的动能完全超越太阳引力,就必须借用木星这个大块头,把地球反弹出去.
引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作"引力助推器".
利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星.在航天动力学和宇宙空间动力学中,所谓的引力助推(也被称为引力弹弓效应或绕行星变轨)是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度,以此来节省燃料、时间和计划成本.
引力助推既可用于加速飞行器,也能用于降低飞行器速度.
影片中,地球为了逃离太阳系,设定了一个飞往木星的冒险轨道,差点毁掉地球.这种冒险的原因是为了利用木星给地球加速.这种加速的方式俗称引力弹弓(gravitational slingshot)或者叫引力助推(gravity assist).这样地球就获得了木星的轨道速度,再加上原有的速度,速度增加到了二者之和,地球的速度和能量都增加了,却没有消耗任何燃料.
其实不仅在"流浪地球"计划中使用这个原理使得地球加速,在2007年7月6日,旅行者1号距离太阳154.4亿公里(103.2天文单位),它在经过木星和土星时通过引力助推获得了足以完全摆脱太阳引力的动能.目前是距离地球最远的人造物体,位于太阳系和星际空间之间的边缘带.
例题:
木星引力
木星的引力比地球强2.5倍,因为体积太大,能够牵引太阳系包括地球在内的其它行星,这意味着木星将与地球和地球轨道发生交互作用,比如地球四季就是因为木星引力的作用.感谢木星巨大的引力,使得很多小行星和彗星的轨道在木星引力的作用下发生偏转,保护地球免受撞击.
电影中的原理,就是要利用木星的引力把地球吸过去,只要飞得足够快,并且算好角度,就会得到巨大的加速力:"我们的星球也在木星表面拉起了如山的液氢和液氦的巨浪.这时,木星巨大的引力正在把地球加速甩向外太空."
可惜问题就出在了"没有算好",原因还在于速度不够,没跑成功.就像月球一样,人家原本没打算成为地球的卫星,就因为被地球引力"捕捉"到了,才成为地球的卫星.但电影中的问题比较严重,因为木星引力太大,地球距离木星太近,差点超越洛希极限.
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